Sterolin valmistus selluprosessin yhteydessä

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

Konsentroitujen liuosten nanosuodatus

The aim of this thesis was to study the retentions of an organic acid and neutral components separately and in mixed solutions. The literature part of this study deals with factors affecting retention in nanofiltration. Nanofiltration is a complex process where many factors are affecting retention depending on the solution, molecule and membrane properties and their interactions. Concentrated model solutions were filtered with Desal-5 DL, NTR 7470 and NF 270 nanofiltration membranes in the experimental part of this work. The effects of pH, pressure and flux on retention were studied. Citric acid was used as the organic acid and the neutral components were inositol, betaine and xylitol. All components were filtered separately. The neutral compounds were also filtered together with citric acid. The filtrations were performed at Lappeenranta University of Technology using laboratory scale nanofiltration equipment. The retentions of neutral components were constant when filtered separately at different pH values. Citric acid had a significant influence on the retention of the neutral compounds. The retentions of neutral compounds decreased significantly when pH increased. The neutral compounds did not have any affect on the retention of citric acid. The retentions of model compounds increased when the flux increased.

Production of fungal volatile organic compounds in bedding materials

Selostus: Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden muodostuminen kuivikkeissa

Effectiveness of neutral RAPD markers to detect genetic divergence between the subspecies uncinata and mugo of Pinus mugo Turra

Abstract

Separation mechanisms in nanofiltration and retention changes of organic compounds

Orgaanisten yhdisteiden negatiivinen retentio nanosuodatuksessa on ilmiö, jota eiole kovin paljon tutkittu. Negatiivisen retentioon vaikuttavat syyt tai tekijäteivät ole kovin hyvin tiedossa. Erotusmenetelmänä negatiivinen retentio voi olla käyttökelpoinen tietyissä sovelluksissa. Työn kirjallisuusosa käsittelee nanosuodatuksen erotusmekanismeja ja retentioon vaikuttavia tekijöitä. Myös joitakin malleja on esitetty. Nanosuodatus on monimutkainen prosessi, josta ei voida löytää vain yhtä erotusmekanismia tai retentioon vaikuttavaa tekijää. Prosessit ovat kokonaisuuksia, joissa erottumiseen vaikuttavat syöttöliuoksen, erotettavan komponentin ja kalvon ominaisuudet, ja niiden väliset vuorovaikutukset. Työn kokeellisessa osassa koottiin mahdollisimman paljon esimerkkejä, joissa monosakkaridien negatiivinen retentio ilmenee. Muita orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä käytettiin 'häiriöyhdisteinä' syöttöliuoksessa monosakkaridien kanssa. Kokeet suoritettiin kahdella laboratoriomittakaavan suodatuslaitteella käyttäen kahta kaupallista nanosuodatuskalvoa. Negatiivinen retentio ilmeni useissa tapauksissa. Permeaattivuon ja 'häiriöyhdisteiden' pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan voimakkaasti negatiivisen retention ilmenemiseen.

Poistevesijakeiden ominaisuuksien vaikutukset paperitehdasintegraatin jätevesien käsittelyssä

Työssä käsitellään paperitehdasintegraatin synnyttämien poistevesijakeiden ominaisuuksien vaikutuksia jäteveden käsittelyyn, käyttökustannuksiin ja päätöksentekoon jatkossa. Poistevesien muodostama jätevesikuormitus on kasvanut valkaistujen tuotteiden osuuden kasvaessa integraatin kokonaistuotannosta. Tehdasintegraatti on hakenut uutta ympäristölupaa vuonna 2004. Vesistöpäästölupa-arvojen voidaan lupaharkintamenettelyn perusteella arvioida kiristyvän. Poistevesijakeissa on aineryhmiä, joista osa on jäteveden puhdistamolla heikosti hajoavia. Suunniteltu tuotantolinjan muutos neutraaliprosessiksi lisää heikosti hajoavien aineryhmien osuutta kokonaiskuormituksesta. Jäteveden puhdistamon käyttökustannukset muodostuvat käytetyistä kemikaaleista, energiasta ja henkilöstökustannuksista. Puhdistamon kuormituksen muuttuminen vaikuttaa käyttökustannuksiin suhteellisen vähän. Poikkeuksellisten päästöjen minimoiminen jälkipuhdistusvaiheessa saattaa kaksinkertaistaa jäteveden puhdistamon kemikaalikustannukset. Jätevesikuormituksen mahdollisesti kasvaessa suhteessa päästölupa-arvoihin joudutaan harkitsemaan investointeja. Biologisen käsittelyn suorituskyvyn jäädessä riittämättömäksi toimenpiteet tulee kohdistaa tuotannon poistevesijakeiden ominaisuuksien muuttamiseen poistevesijakeiden erilliskäsittelyillä tai tuotantoprosessien optimoinnilla.

pH:n stabiilisuus ditioniittivalkaistulla neutraalilla LWC-prosessilla

Tässä työssä Oy Keskuslaboratoriossa sijaitsevalla kiertovesisimulaattorilla on tutkittiu ditioniittivalkaisun ja hylyn määrän vaikutusta pH:n stabiilisuuteen ja häiriöaineiden määrään neutraalissa LWC-prosessissa. Lisäksi on tutkittu ditioniitin määrän seisokkien ja valkaisuviiveiden vaikutusta. Kirjallisuusosassa tutustutaan ditioniittivalkaisuun ja valkaisun kemiaan sekä kalsiumkarbonaatin liukenemiseen. Lyhyesti selvitetään myös paperikoneen vesikiertoja sekä prosessissa olevia häiriöaineita. Karbonaatin liukenemisen osalta tarkastellaan myös mahdollisuutta mallintaa prosessia. Diplomityön aikana ajettiin yhdeksän simulaattoriajoa, jotka ajettiin kahden tai kolmen ajon sarjoissa. Ajoja ajettiin kolmella eri hylkymäärällä. Ditioniittivalkaisun lisäksi suoritettiin referenssiajoja ilman valkaisua. Lyhyen kierron pH pyrittiin pääosin säätämään seitsemään. Valkaisuviiveiden ja yli-yön kestävien seisokkien vaikutusta tutkittiin myös. Kokeissa todettiin ditioniitin alentavan pH tasoa. Tämä pH:n aleneminen johtaa kalsiumkarbonaatin liukenemiseen kalsiumkarbonaatin pyrkiessä puskuroimaan pH:n laskua. Valkaisureaktiossa syntyy negatiivisesti varauruneita yhdisteitä, jotka lisäävät prosessin anionisuutta. Ditioniitin valkaisuvaikutus näkyi lopputuotteen vaaleuden kasvuna sekä kieroveden värillisten yhdisteiden vähenemisenä. Ditioniittivalkaisu näytti poistavan myös noin 30% ligniinistä. Lipofiilisiin uuteaineisiin ditioniitilla ei ollut vaikutusta. Riittävä ditioniittiannos kokeiden perusteella on korkeintaan 1% ditioniittiä käytetyn mekaanisen massan määrästä. Korkeammalla annostuksella ei ollut vaikutusta vaaleuteen. Valkaisuaikana 30 minuuttia on riittävä. Pidempien valkaisuviiveiden ja seisokkien aikana valkaisussa syntyvän sulfiitin todettiin muuttuvan sulfaatiksi. Hylyn määrän lisääminen nosti pH:ta, varausta, johtokykyä ja liuenneen kalsiumin määrään. Hylyn määrän lisäminen paransi myös optisia ominaisuuksia, mikä johtui osin hylyn sisältämästä kalsiumkarbonaatista ja osin hylyn sisältämästä mekaanisesta massasta, joka oli valkaistua.

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

Regenerated cellulose ultrafiltration membranes in the treatment of pulp and paper mill process waters

Ultrafiltration (UF) is widely applied in different separation processes in the pulp and paper industry. The growing need to protect the environment, a lack of pure water and an interest in producing high-value chemicals from compounds present in process waters will probably lead to an increase in the use of UF in the pulp and paper industry. The efficiency and cost-effectiveness of a UF process depends on the applied membrane. The membrane should have a high and stable filtration capacity, a particular selectivity and a long operational lifetime. To meet these requirements a membrane should have a low fouling tendency. In addition, it should withstand the prevailing operational and chemical conditions. This thesis evaluates the performance and applicability of the regenerated cellulose (RC) membranes 00030T and C2 in the treatment of pulp and paper mill process waters based on the requirements above. The results demonstrated that both the tested RC membranes fulfilled well the requirement of high filtration capacity. In addition, in the filtration of a paper mill clear filtrate (CF) the RC membranes were not as greatly affected by variations in the CF quality as a polysulphone membrane. Furthermore, due to their extreme hydrophilicity and weak charge the fouling tendency of the membranes can be expected to be low in pulp and paper mill filtration applications. It is, however, known that fouling cannot be totally avoided even when the membrane is chosen very carefully. This study indicated that carbohydrates influenced negatively on permeability and caused fouling in the filtration of groundwood mill circulation water. Thus, a pre-treatment effectively reducing the amount of carbohydrates might help to maintain a stable capacity. However, the results of the thesis also showed that the removal of some of the possible foulants might just increase the harmful effect of others. Multivariate examination was useful in the understanding of the complicated factors causing the unstable capacity. The thesis also revealed that the 00030T and C2 membranes can be used at high pressure (max. tested pressure 12 bar). The C2 membrane, having a sponge-like substructure, was more pressure resistant, and its performance was more stable at high pressure compared to the UCO30T membrane containing macrovoids in its substructure. Both tested membranes can, according to the results, also be used at temperatures as high as 70°C in acidic, neutral and alkaline conditions. However, the use at extreme conditions might cause faster ageing of the membranes compared to ageing in neutral conditions. The thesis proved that both the tested RC membranes are very suitable for pulp and paper mill applications and that the membranes can be utilised in processes operating in challenging conditions. Thus, they could be used in more demanding applications than supposed earlier.

Polymeerien erotus ultrasuodatuksella

Työssä selvitettiin suodatusolosuhteiden vaikutusta neutraalien polymeerien pidättymiseen niiden vesiliuoksia suodatettaessa. Suodatuksissa käytettiin kahta regeneroidusta selluloosasta valmistettua ultrasuodatuskalvoa (Microdyn-Nadir UC 030T ja JSC STC Vladipor C 30V). Malliaineina käytettiin polyetyleeniglykolia ja dekstraania. Kirjallisuusosassa esiteltiin aluksi lyhyesti ultrasuodatus erotusmenetelmänä. Lisäksi käsiteltiin ultrasuodatuskalvojen huokoskoon karakterisointimenetelmiä ja selvitettiin polymeerien erottumiseen ultrasuodatuksen aikana vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin paineen ja virtausnopeuden vaikutusta malliaineiden pidättymiseen ultrasuodatuskalvoilla. Lisäksi pyrittiin löytämään suodatusolosuhteet, joissa toinen aineista läpäisisi suodatuskalvon lähes täydellisesti toisen konsentroituessa syöttöliuokseen. Työssä myös määritettiin tutkimuksissa käytetyille kalvoille katkaisukoko, joka kuvaa kalvon kykyä pidättää moolimassaltaan erikokoisia molekyylejä. Lisäksi kokeellisessa osassa selvitettiin työssä käytettyjen kalvojen tasalaatuisuutta vertailemalla keskenään samanlaisissa suodatusolosuhteissa eri kalvopaloilla tehtyjen suodatusten tuloksia. Työssä saatiin erotettua kaksi lähes samankokoista malliaineeksi valittua neutraalia polymeeriä toisistaan siten, että toinen aine pidättyi kalvolla huomattavasti toista ainetta paremmin. Parhaimpaan erotustulokseen päästiin, kun permeaattivuo kalvon läpi oli noin 400 l/(m2 h). Tällöin suodatuspaine oli noin 2 bar ja virtausnopeus alle 2 m/s. Työn aikana määritettyjen katkaisukokojen havaittiin poikkeavan huomattavasti kalvojen valmistajien ilmoittamista arvoista, mutta olevan kuitenkin samaa suuruusluokkaa kuin muiden tutkimusryhmien vastaaville ultrasuodatuskalvoille esittämät arvot. Työn tulosten perusteella C 30V olisi hieman tasalaatuisempi kalvo kuin UC 030T.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.