Komposiittipakkausrakenteen valmistustekninen selvitys

Diplomityö on tehty Exel Oyj:lle tuotekehityprojektina. Tarkoituksena on kehittää Exel Oyj:n valmistamaa komposiittipakkausrakennetta. Työssä on keskitytty valmistustekniseen selvitykseen komposiittirakenteen teollisen mittakaavan tuotannossa. Työssä selvitettiin erilaisten tuoterakenteiden valmistettavuutta sekä suoritettiin kyseisen tuotteen vaatimusprofiilin mukaisia testejä valituille rakennevaihtoehdoille. Pakkausrakenteelle asetettuja vaatimuksia ovat mm. kuljetusvaatimukset, jotka määräytyvät lähinnä NATO standardien pohjalta. Lisäksi tuotteelta vaaditaan tiettyä pitkäaikaiskestoa käsittelyn kannalta sekä soveltuvuutta vallitseviin ilmasto-olosuhteisiin. Vaatimusten mukaisia ominaisuuksia tutkittiin lisäksi mm. ballistisilla ja mekaanisilla testeillä sekä kaasuläpäisytesteillä. Testien pohjalta voidaan todeta, etteivät perinteisen alipaineinjektoidun komposiittituotteen ballistiset ominaisuudet ole riittävällä tasolla suojatuotetta ajatellen. Ballististen ja mekaanisten testien kesken havaittiin joitain yhtäläisyyksiä ja tämä vaikuttaa olevan nimenomaan mekaanisesti optimoidun komposiitin ominaisuus. DI-työn lopputuloksena on saatu selkeä kuva pakkausrakenteen materiaalivaihtoehtojen soveltuvuudesta kyseiselle tuotteelle. Lisäksi pakkausrakenteelle on ehdotettu neljä erilaista tuotesuunnitelmaan, niiden valmistustekniikat sekä lopputuotteen kustannusarviointi.

Heran nanosuodatus: raaka-ainekoostumuksen ja prosessiolosuhteiden vaikutus kalvon likaantumiseen

Työssä tutkittiin kalvon likaantumiseen vaikuttavia tekijöitä juoksuteheran nanosuodatuksessa. Tutkimuksessa käytettiin Desal-5 DK kalvoa. Heran nanosuodatukset suoritettiin yhden spiraalimoduulin käsittävää pilot -mittakaavaista suodatuslaitteistoa käyttäen. Työssä selvitettiin suodatettavan heran iän, pastörointilämpötilan, pH:n, suodatuslämpötilan sekäheran sisältämän juustopölyn, lisätyn kalsiumkloridin määrän ja rasvan laadun vaikutusta permeaattivuohon. Jokaista tekijää testattiin kahta eri muuttujaa käyttäen. Työssä tutkittiin myös kahden samanlaisen kalvon välisiä läpäisevyyseroja. Heran pastörointilämpötila, pH ja suodatuslämpötila osoittautuivat kalvon likaantumisen kannalta tärkeimmiksi tekijöiksi heran nanosuodatuksessa. Permeaattivuo oli korkeampi suodatettaessa 74 ºC lämpötilassa pastöroitua heraa, kuin 78 ºC lämpötilassa pastöroitua. Hera suodattui paremmin silloin, kunsen pH oli säädetty 5,8:aan, kuin heran pH:n ollessa säädettynä 5,2:een. Suodatettaessa 18 ºC suodatuslämpötilaan temperoitua heraa havaittiin korkeampi permeaattivuo kuin 12 ºC lämpötilaan termostoitua heraa suodatettaessa. Heran sisältämä pölyn määrä, rasvan laatu ja heran ikä havaittiin tilastollisesti merkityksettömiksi tekijöiksi sekä heran suodattuvuuden, että kalvon puhdistuvuuden kannalta. Kalsiumkloridin lisääminen heraan ennen suodatusta vaikuttivain kalvon suodatuksen jälkeiseen peseytyvyyteen. Kalvo puhdistui paremmin, kun kalsiumkloridia ei oltu lisätty heraan ennen suodatusta. Desal-5 DK kalvojen läpäisevyyseroja tutkittiin suodattamalla glukoosia ja natriumkloridia sisältävää malliaineliuosta kummankin vertailtavan kalvon läpi. Kokeissa havaittiin, että toista nanosuodatuskalvoa käytettäessä mitatut vesivuot olivat jopa 100 % korkeampia kuin vertailukalvoa käytettäessä mitatut. Myös glukoosin kalvolle pidättymisessä havaittiin eroja kalvojen välillä. Syyksi suuriin läpäisevyyseroihin arveltiin riittämätöntä kalvojen esikäsittelyä ennen malliainekokeen suorittamista, joten ei pystytty arvioimaan, oliko kalvojen läpäisevyyksissävalmistusprosessista johtuvia eroja.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Transmission properties of high barrier coated paperboard packages

High barrier materiaaleilla pyritään pidentämään pakattujen elintarvikkeiden hyllyikää. Barrierin tärkein tehtävä on elintarvikkeen suojaaminen hapelta ja kosteudelta. Alumiinin käyttöä barriermateriaalina pyritään vähentämään korvaamalla alumiini polymeereillä, jotka täyttävät elintarvikkeiden asettamat korkeat säilyvyysvaatimukset. Etyylivinyylialkoholin (EVOH) hapenläpäisevyys on kuivissa olosuhteissa alhaisin kaupallisista muovilaaduista. EVOH tarjoaa myös erinomaisen suojan muita kaasuja, rasvoja, hajuja ja aromeja vastaan ja sitä on helppo prosessoida. Polyamideilla on erinomainen kaasutiiveys sekä hyvä lujuus ja sitkeys. Eri muovilaatuja sekoittamalla voidaan vähentää hapenläpäisyä ja parantaa prosessointia. Polyolefiineja käytetään yleisesti päällystysmateriaaleina, koska ne suojaavat tuotetta erinomaisesti kosteudelta. Hapenläpäisyllä tarkoitetaan hapen kulkeutumista materiaalin läpi joko permeaation kautta tai reikien ja vuotojen läpi. Kaasun permeoitumiseen materiaalin läpi vaikuttavat materiaalin vapaa tilavuus, kiteisyysaste, orientaatio, substituointi, suhteellinen kosteus, lämpötila, barrierkerroksen paksuus, paine-ero ja permeoituvan molekyylin ominaisuudet. Kokeellisessa osassa analysoitiin ja vertailtiin kartonkipohjaisia mehutölkkejä, joissa käytettävät high barrier materiaalit olivat EVOH ja PA. Kartonkipohjaisia alumiinitölkkejä käytettiin referenssinä. Pakkausten hapenläpäisevyysmittauksissa saatiin samasta näytteestä toistettavia tuloksia, vaikka vuotomittauksissa saadut tulokset eivät olleet vertailukelpoisia hapenläpäisytulosten kanssa. Tölkkien valmistus vaikutti oleellisesti pakkausten tiiveysominaisuuksiin. Hapenläpäisy vuotojen ja reikien läpi oli merkittävämpää kuin hapenläpäisy materiaalin läpi. Pakkausten tiiveysominaisuuksia analysoitiin mittaamalla appelsiinimehun askorbiini-happopitoisuus. Askorbiinihapon hajoaminen mitattiin koetölkkeihin pakatusta appelsiinimehusta, ja lämpötilan, valon ja hapen vaikutusta askorbiinihapon hajoamiseen tutkittiin 12 viikon ajan. Lämpötilalla oli suurin vaikutus askorbiinihapon hajoamiseen huolimatta käytetystä pakkausmateriaalista.

Methods to test gas tightness of packages

One of the primary goals for food packages is to protect food against harmful environment, especially oxygen and moisture. The gas transmission rate is the total gas transport through the package, both by permeation through the package material and by leakage through pinholes and cracks. The shelf life of a product can be extended, if the food is stored in a gas tight package. Thus there is a need to test gas tightness of packages. There are several tightness testing methods, and they can be broadly divided into destructive and nondestructive methods. One of the most sensitive methods to detect leaks is by using a non destructive tracer gas technique. Carbon dioxide, helium and hydrogen are the most commonly used tracer gases. Hydrogen is the lightest and the smallest of all gases, which allows it to escape rapidly from the leak areas. The low background concentration of H2 in air (0.5 ppm) enables sensitive leak detection. With a hydrogen leak detector it is also possible to locate leaks. That is not possible with many other tightness testing methods. The experimental work has been focused on investigating the factors which affect the measurement results with the H2leak detector. Also reasons for false results were searched to avoid them in upcoming measurements. From the results of these experiments, the appropriate measurement practice was created in order to have correct and repeatable results. The most important thing for good measurement results is to keep the probe of the detector tightly against the leak. Because of its high diffusion rate, the HZ concentration decreases quickly if holding the probe further away from the leak area and thus the measured H2 leaks would be incorrect and small leaks could be undetected. In the experimental part hydrogen, oxygen and water vapour transmissions through laser beam reference holes (diameters 1 100 μm) were also measured and compared. With the H2 leak detector it was possible to detect even a leakage through 1 μm (diameter) within a few seconds. Water vapour did not penetrate even the largest reference hole (100 μm), even at tropical conditions (38 °C, 90 % RH), whereas some O2 transmission occurred through the reference holes larger than 5 μm. Thus water vapour transmission does not have a significant effect on food deterioration, if the diameter of the leak is less than 100 μm, but small leaks (5 100 μm) are more harmful for the food products, which are sensitive to oxidation.

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.

Membraanin modifiointi happo- ja alkoholikäsittelyillä

Tässä diplomityössä tutkittiin alkoholilla ja orgaanisella hapolla tehtävien esikäsittelyiden vaikutusta nanosuodatuskalvon ominaisuuksiin. Työn tarkoituksena oli parantaa nanosuodatuskalvon fraktiointiominaisuuksia sekä kasvattaa monosakkaridien suotautuvuutta. Tarkasteluissa käytetty membraani oli GE Osmonicsin valmistamaa Desal-5 DL nanosuodatuskalvoa, jota modifioitiin erilaisilla maitohappo- ja isopropanoliesikäsittelyillä. Suodatukset tehtiin kahdella erilaisella laboratoriomittakaavan levysuotimella käyttäen malliaineina väkevää sokeriliuosta sekä laimeampaa sokeri-suola-liuosta. Happo- ja alkoholiesikäsiteltyjen kalvojen vuo- ja retentioarvoja verrattiin referensseinä käytettyjen vesiliotettujen kalvojen vastaaviin arvoihin. Puhtaat esikäsitellyt kalvot analysoitiin myös tarkemmin kalvoissa tapahtuneiden muutosten ymmärtämiseksi. Suodatusten ja analyysitulosten perusteella sekä alkoholi- että happoesikäsittelyt paransivat nanosuodatuskalvon ominaisuuksia parantaen sokerivuota, heikentämättä kuitenkaan kalvon fraktiointikykyä eri moolimassan omaavien sokereiden suhteen. Hapolla saavutettiin hieman alkoholikäsittelyä suotuisammat muutokset, mutta molemmilla käsittelyillä haluttujen komponenttien retentio monesti jopa parani referenssikalvoon verrattuna. Havaitut muutokset kalvoissa olivat pääosin fysikaalisia, mutta erityisesti happokäsittely muutti kalvon rakennetta myös kemiallisesti. Molemmat käsittelyt lisäsivät myös tarkasteltavan membraanin hydrofiilisuutta.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.

Possibility Of Controlling The Atmosphere Inside A Package Using Microperforation

This work focuses on the study of the determination on the possibilities of controlling the required moisture within the inside of film sealed packages. The task is based on the challenges faced by fresh food producers in actualizing a longer product shelf-life coupled with the growing complex desires coming from consumers in the aspect of quality. One way to realize this is by proper evaluation on the use of the flexible plastic films through permeation measurements on the required amount of moisture penetrating through the plastic film with the application of microperforation. A packaging material requires proper interaction on moisture transmission, between the product and the outside environment. The plastic film material that stands between, fresh fruits, vegetables and the outside environment could have appropriate respiration rates through possible micro holes. This work simulates similar process with the aid of water vapor transmission rate (WVTR) experiment using anhydrous CaCl2 as the desiccant, in studying the WVTR values of various perforated film materials at different conditions of storage (standard, fridge, and tropical conditions). However, the results showed absorption rates of water vapor at various conditions in grams of H2O/m2/24h.

Nucleotides as Antiviral Compounds. On the Feasibility of an Esterase-dependent Prodrug Strategy for 2-5A

Nukleotidien ja oligonukleotidien analogeilla on merkittävä rooli virusten aiheuttamien tautien hoidossa. Tämän kaltaiset yhdisteet voivat estää spesifisesti virusten proteiineja tai aktivoida luontaista immuunijärjestelmää, jossa 2-5A:ksi kutsutut lyhyet 2´,5´-sitoutuneet oligomeerit ovat keskeisiä tekijöitä. Nukleotideihin ja oligonukleotideihin pohjautuvien lääkkeiden tehokkuus riippuu pääasiassa aihiolääkestrategiasta, jolla niiden sisäänottoa soluun tehostetaan. Tavanomaisessa aihiolääkestrategiassa negatiivisesti varautuneet fosfaattiryhmät suojataan rasvaliukoisilla biohajoavilla suojaryhmillä, jotta molekyyli läpäisee solukalvon helpommin. Solun sisällä aihiolääke muuttuu aktiiviseksi lääkeaineeksi, kun suojaryhmät irtoavat solun entsyymien, kuten esteraasien vaikutuksesta. Väitöskirjassa arvioitiin esteraasin katalysoiman aihiolääkestrategian soveltuvuutta 2-5A-trimeerille syntetisoimalla kaksi erilaista 2-5A-aihiolääkekandidaattia ja tutkimalla 2-5A:n purkautumista karboksiesteraasi-entsyymin vaikutuksesta. Suojaryhmäsuunnitelma perustui esteraasilabiileihin 2,2-disubstituoituihin asyylioksipropyyliryhmiin ja asyylioksimetyyliryhmiin, joilla suojattiin trimeerien fosfaatti- ja 3´-hydroksyyliryhmät. Tulokset osoittivat, että esteraasilabiilien suojaryhmien irtoaminen 2-5A:sta hidastui merkittävästi, kun yhdisteeseen kertyi negatiivista varausta. Lisäksi suojaryhmien hajotessa muodostui elektrofiilisiä alkyloivia aineita, jotka ovat mahdollisesti toksisia. Näistä syistä johtuen kehitettiin kuusi uudenlaista 2,2,-disubstituoitua 4-asyylitio- 3-oksobutyyliryhmää fosfodiestereiden suojaamiseksi. Suojaryhmät irtoavat sekä esteraasin katalysoimana, että lämpötilan vaikutuksesta. Tämä on hyödyllinen ominaisuus silloin, kun entsyymin affiniteetti negatiivisesti varattuun substraattiin heikkenee. Suojaryhmien hydrolyyttinen ja entsymaattinen stabiilisuus on helposti säädeltävissä, jotta suojauksen purkautumisen nopeus voidaan optimoida. Vapautuneet suojaryhmät eivät ole merkittävästi alkyloivia, sillä niiden ei havaittu alkyloivan glutationia.