Critical flux and fouling in ultrafiltration of proteins

In this thesis different parameters influencing critical flux in protein ultrafiltration and membrane foul-ing were studied. Short reviews of proteins, cross-flow ultrafiltration, flux decline and criticalflux and the basic theory of Partial Least Square analysis (PLS) are given at the beginning. The experiments were mainly performed using dilute solutions of globular proteins, commercial polymeric membranes and laboratory scale apparatuses. Fouling was studied by flux, streaming potential and FTIR-ATR measurements. Critical flux was evaluated by different kinds of stepwise procedures and by both con-stant pressure and constant flux methods. The critical flux was affected by transmembrane pressure, flow velocity, protein concentration, mem-brane hydrophobicity and protein and membrane charges. Generally, the lowest critical fluxes were obtained at the isoelectric points of the protein and the highest in the presence of electrostatic repulsion between the membrane surface and the protein molecules. In the laminar flow regime the critical flux increased with flow velocity, but not any more above this region. An increase in concentration de-creased the critical flux. Hydrophobic membranes showed fouling in all charge conditionsand, furthermore, especially at the beginning of the experiment even at very low transmembrane pressures. Fouling of these membranes was thought to be due to protein adsorption by hydrophobic interactions. The hydrophilic membranes used suffered more from reversible fouling and concentration polarisation than from irreversible foul-ing. They became fouled at higher transmembrane pressures becauseof pore blocking. In this thesis some new aspects on critical flux are presented that are important for ultrafiltration and fractionation of proteins.

Arvometallien selektiivinen erottaminen kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin jalometallien selektiivistä erottamista kloridiliuoksista synteettisten polymeerihartsien avulla. Laboratoriokokeissa keskityttiin tutkimaan kullan erottamista hydrofiilisen polymetakrylaattipohjaisen adsorbentin avulla. Lähtökohtana oli platinarikaste, joka sisälsi kullan lisäksi platinaa, palladiumia, hopeaa, kuparia, rautaa, vismuttia, seleeniä ja telluuria. Mittauksissa tutkittiin eri metallien ja puolimetallien adsorptiota hartsiin tasapaino-, kinetiikka- ja kolonnikokeilla. Työssä käytettiin myös adsorption simulointiin monikomponenttierotuksen dynaamiseen mallintamiseen tarkoitettua tietokoneohjelmaa, johon tarvittavat parametrit estimoitiin kokeellisen datan avulla. Tasapainokokeet yhtä metallia sisältäneistä liuoksista osoittivat, että hartsi adsorboi tehokkaasti kultaa kaikissa tutkituissa suolahappopitoisuuksissa (1-6 M). Kulta muodostaa hartsiin hyvin adsorboituvia tetrakloroauraatti(III)ioneja, [AuCl4]-, jotka ovat erittäin stabiileja pieniin kloridipitoisuuksiin saakka. Suolahappopitoisuudella oli merkitystä ainoastaan raudan adsorptioon, joka kasvoi huomattavasti suolahappopitoisuuden noustessa johtuen raudan taipumuksesta muodostaa hyvin adsorboituvia [FeCl4]--ioneja väkevissä suolahappopitoisuuksissa. Muiden tutkittujen alkuaineiden adsorptiot jäivät alhaisiksi kaikilla suolahappopitoisuuksilla. Rikasteliuoksella tehdyt tasapainokokeet osoittivat, että adsorptiokapasiteetti kullalle riippuu voimakkaasti muista läsnäolevista komponenteista. Kilpaileva adsorptio kuvattiin Langmuir-Freundlich-isotermillä. Kolonnikokeet osoittivat, että hartsi adsorboi kullan lisäksi hieman myös rautaa ja telluuria, jotka saatiin kuitenkin eluoitua hartsista täysin 5 M suolahappopesulla ja sitä seuraavalla 1 M suolahappopesulla. Tehokkaaksi liuokseksi kullan desorboimiseen osoittautui asetonin ja 1 M suolahapon seos. Kolonnierotuksen eri vaiheet pystyttiin tyydyttävästi kuvaamaan simulointimallilla.

Rasvaisten jätevesien puhdistus

Rasvaisten jätevesien puhdistus on sitä tuottaville yrityksille kallista ja hankalaa. Nykyisten päästövaatimusten saavuttaminen on perinteisillä jätevedenkäsittelymenetelmillä vaikeaa tai lähes mahdotonta, riippuen käsiteltävän jäteveden ominaisuuksista. Rasvaisen jäteveden käsittelyssä on käytetty mm. laskeutusta, flotaatiota, hydrosykloneja, pisaroitusta, suodatusta sekä biologista käsittelyä. Lisäksi happohydrolyysiä voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Useita näitä erotusmenetelmiä voidaan myös tehostaa kemikaalien lisäyksellä. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty rasvaisten jätevesien ja emulsioiden kalvosuodatusta ja kalvojen käyttöä pisaroituselementtinä. Tavanomaisessa kalvosuodatuksessa tarkoituksena on erottaa kalvoa läpäisemätön rasvajae ja permeoituva vesijae toisistaan, kun taas pisaroittamisen tarkoituksena on saada dispergoituneen faasin pisarakoko kasvamaan joko kalvon pinnalla tai sen huokosissa. Pisarakoon kasvaessa emulsion stabiilisuus heikkenee ja faasit voidaan helpommin erottaa toisistaan. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena oli tutkia kalvosuodatuksen ja erilaisten kalvojen toimivuutta esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien käsittelyssä. Tutkimuksessa käytettiin MW- (GE Osmonics), C30F- (Nadir Filtration), Teflon Typar- (Tetratex) sekä JX-kalvoa (Osmonics Desal). Haastetta työhön syntyi tutkittujen jätevesien ominaisuuksien suuresta vaihtelusta sitä tuottavan laitoksen panostyylisestä toiminnasta johtuen. Lisäksi tutkittiin, onko syöttöliuoksen pH-säädöllä ja laskeutuksella ennen suodatusta merkittävää etua itse kalvosuodatusprosessiin. Kalvotekniikkaa voidaan tämän tutkimuksen perusteella soveltaa myös esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien suodatukseen, ja erityistä etua saadaan jäteveden pH-säädöllä (pH 3) ja laskeutuksella ennen varsinaista suodatusta. Tällaiseen käsittelyyn soveltuu tutkituista kalvoista parhaiten hydrofiilinen regeneroidusta selluloosasta valmistettu C30F-kalvo, jonka etuna on vähäinen foulaantuminen muihin tutkittuihin kalvoihin verrattuna.

Siistausmassan saostuksessa kiekkosuodattimella käytettävän suodatinväliaineen testaus ja kehittäminen

Työn aiheena on siistausmassan saostuksessa käytettävä kiekkosuodatinväliaine ja tarkoituksena selvittää lankamateriaalien ja pinnoitusaineiden vaikutusta väliaineen likaantumisherkkyyteen ja suodatusteknisiin ominaisuuksiin. Siistauslaitosten ongelmana on suodatinväliaineen likaantuminen massassa olevien tahmo- ja painoväripartikkelien johdosta. Tällä hetkellä siistauslaitosten kiekkosuodatinpussien valmistuksessa käytetään pääasiassa polypropeeni- ja polyvinylideenifluoridimonofilamenttilankoja, joiden lianhylkivyys on osoittautunut huonoksi. Uusiksi lankamateriaaleiksi tutkimuksiin valittiin Easy Kleen I, Easy Kleen II, Hyflon, Halar ja Polyesteri. Tulosten perusteella Easy Kleen I ja II monofilamenttilangoista kudotun suodatinkankaan lianhylkivyys on polypropeeni- ja polyvinylideenifluoridimonofilamenttilangoista kudottua kangasta parempi. Suodatusteknisissä ominaisuuksissa ei materiaalien välillä havaittu merkittävää eroa. Easy Kleen monofilamenttilangat näyttävät soveltuvan myös keittokutistumiltaan ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan kiekkosuodatinpussien materiaaleiksi. Polypropeeni- ja polyesterimonofilamenettilangoista kudottujen suodatinkankaiden pinnoittamisessa käytettiin hydrofiilisiä ja hydrofobisia pinnoitusaineita. Tulosten perusteella on mahdollista parantaa suodatinkankaan lianhylkivyyttä pinnoittamalla. Pinnoitettu kangas on myös suodatusteknisiltä ominaisuuksiltaan toimiva. Ongelmaksi suodatinkankaiden pinnoittamisessa saattaa kuitenkin muodostua pinnoituslämpötila, jossa kangas kutistuu asennuskelvottomaksi.

Synthesis of triheptanoin and formulation as a solid diet for rodents

Triheptanoin-enriched diets have been successfully used in the experimental treatment of various metabolic disorders. Maximal therapeutic effect is achieved in the context of a ketogenic diet where triheptanoin oil provides 30-40% of the daily caloric intake. However, pre-clinical studies using triheptanoin-rich diets are hindered by the difficulty of administering to laboratory animals as a solid foodstuff. In the present study, we successfully synthesized triheptanoin to the highest standards of purity from glycerol and heptanoic acid, using sulfonated charcoal as a catalyst. Triheptanoin oil was then formulated as a solid, stable and palatable preparation using a ketogenic base and a combination of four commercially available formulation agents: hydrophilic fumed silica, hydrophobic fumed silica, microcrystalline cellulose, and talc. Diet compliance and safety was tested on C57Bl/6 mice over a 15-week period, comparing overall status and body weight change. Practical applications: This work provides a complete description of (i) an efficient and cost-effective synthesis of triheptanoin and (ii) its formulation as a solid, stable, and palatable ketogenic diet (triheptanoin-rich; 39% of the caloric intake) for rodents. Triheptanoin-rich diets will be helpful on pre-clinical experiments testing the therapeutic efficacy of triheptanoin in different rodent models of human diseases. In addition, using the same solidification procedure, other oils could be incorporated into rodent ketogenic diet to study their dosage and long-term effects on mammal health and development. This approach could be extremely valuable as ketogenic diet is widely used clinically for epilepsy treatment.

Synthesis of triheptanoin and formulation as a solid diet for rodents

Triheptanoin-enriched diets have been successfully used in the experimental treatment of various metabolic disorders. Maximal therapeutic effect is achieved in the context of a ketogenic diet where triheptanoin oil provides 30-40% of the daily caloric intake. However, pre-clinical studies using triheptanoin-rich diets are hindered by the difficulty of administering to laboratory animals as a solid foodstuff. In the present study, we successfully synthesized triheptanoin to the highest standards of purity from glycerol and heptanoic acid, using sulfonated charcoal as a catalyst. Triheptanoin oil was then formulated as a solid, stable and palatable preparation using a ketogenic base and a combination of four commercially available formulation agents: hydrophilic fumed silica, hydrophobic fumed silica, microcrystalline cellulose, and talc. Diet compliance and safety was tested on C57Bl/6 mice over a 15-week period, comparing overall status and body weight change. Practical applications: This work provides a complete description of (i) an efficient and cost-effective synthesis of triheptanoin and (ii) its formulation as a solid, stable, and palatable ketogenic diet (triheptanoin-rich; 39% of the caloric intake) for rodents. Triheptanoin-rich diets will be helpful on pre-clinical experiments testing the therapeutic efficacy of triheptanoin in different rodent models of human diseases. In addition, using the same solidification procedure, other oils could be incorporated into rodent ketogenic diet to study their dosage and long-term effects on mammal health and development. This approach could be extremely valuable as ketogenic diet is widely used clinically for epilepsy treatment.

Otsonin käyttö paperin ja kartongin valmistuksen kiertovesien mikrobiologisen tilan hallintaan

Diplomityössä tutkittiin otsonin käytön soveltuvuutta ja etsittiin optimaalista soveltamistapaa kartonki- ja paperikoneen kiertoveden mikrobiologisen tilan hallintaan. Kirjallisuusosassa selvitettiin otsonin tuotannon nykytekniikkaa sekä otettiin selvää saatavilla olevista kapasiteetiltaan riittävistä otsonigeneraattoreista. Kirjallisuuden perusteella selvitettiin myös otsonin reaktioita paperi- ja kartonkikoneen kiertovesissä olevien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kanssa. Lisäksi käsiteltiin otsonin käytön eri sovelluksia vedenpuhdistuksessa sekä perehdyttiin aikaisemmin tehtyihin tutkimuksiin otsonin käytöstä mikrobitorjuntaan paperi- ja kartonkikoneiden kiertovesistä. Kokeellisessa osassa määritettiin sopiva otsoniannos valkaisematonta sellua käyttävän koneen kiekkosuotimen kirkkaalle ja samealle suodokselle. Vesien otsonointi suoritettiin otsonipilotlaitteistolla. Työssä tutkittiin otsonoinnin vaikutusta kiertoveden mikrobiologisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tarkasteltiin kiertoveden otsonoinnin vaikutuksia koepaperikoneella valkaisemattomasta sel-lusta ja hylkymassasta valmistettujen lopputuotteiden laatuun. Työssä arvioitiin myös otsonin käytön mahdollisuutta osittain korvaamaan jo käytössä olevia hapettavia biosidejä. Samealle suodokselle sopivaksi otsoniannokseksi osoittautui 120 mg O3/l (0,3 mg O3/mg CODCr) ja kirkkaalle suodokselle riittävä annos olisi 60 mg O3/l (0,2 mg/mg CODCr). Näillä annoksilla kiertoveden mikrobireduktiot olivat 98–100 %. Kiertoveden hapetuskyky kasvoi 9-14 % ja pH laski yhdellä yksiköllä otsonoinnin vaikutuksesta. Kiertoveden kemiallisiin ominaisuuksiin otsonoinnilla oli edullinen vaikutus, sillä veden sameus, kiintoaine- ja CODCr-pitoisuudet laskivat. Koepaperikoneella havaittiin perälaatikon ilmapitoisuuden vähentyneen jopa 49 % käytettäessä ot-sonoitua kiertovettä. Mikrobiologiset analyysit suoritettiin koepaperikoneen massalle, viiravedelle ja lopputuotteelle. Tutkimusten perusteella mikrobientorjunnan kannalta parhaimmaksi otsonin annos-telupaikaksi osoittautui samea suodos. Massan, viiraveden ja lopputuotteen mikrobimäärät alenivat selvästi. Kemialliset analyysit osoittivat, että kirkasta suodosta käytettäessä oli koepaperikoneen vii-raveden kemiallinen tila parantunut LK-aineen muuttuessa hydrofiilisemmäksi ja sen sitoutumisky-vyn parantuessa. Samealla suodoksella ei muutosta havaittu. Valkaisemattomasta sellusta ja päällystetystä hylystä koepaperikoneella valmistettujen lopputuotteiden lujuus- ja aistinvaraisissa ominaisuuksissa ei tapahtunut merkittävää muutosta. Tulosten perusteella otsonia voisi käyttää korvaamaan hinnaltaan kalliimpia hapettavia biosidejä. Otsonin etuna on, ettei sille resistenttejä mikrobikantoja ole. Kirjallisuuden perusteella otsonin heikkoutena on sen tehon paikallisuus eli otsonin lisänä on käytettävä jotain muuta sekundääristä biosidia ylläpitämään matala mikrobitaso otsonoinnin jälkeen.

Dustiness and deagglomeration testing: interlaboratory comparison of systems for nanoparticle powders

Different types of aerosolization and deagglomeration testing systems exist for studying the properties of nanomaterial powders and their aerosols. However, results are dependent on the specific methods used. In order to have well-characterized aerosols, we require a better understanding of how system parameters and testing conditions influence the properties of the aerosols generated. In the present study, four experimental setups delivering different aerosolization energies were used to test the resultant aerosols of two distinct nanomaterials (hydrophobic and hydrophilic TiO2). The reproducibility of results within each system was good. However, the number concentrations and size distributions of the aerosols created varied across the four systems; for number concentrations, e.g., from 10(3) to 10(6) #/cm(3). Moreover, distinct differences were also observed between the two materials with different surface coatings. The article discusses how system characteristics and other pertinent conditions modify the test results. We propose using air velocity as a suitable proxy for estimating energy input levels in aerosolization systems. The information derived from this work will be especially useful for establishing standard operating procedures for testing nanopowders, as well as for estimating their release rates under different energy input conditions, which is relevant for occupational exposure.

The EXS Domain of PHO1 Participates in the Response of Shoots to Phosphate Deficiency via a Root-to-Shoot Signal.

The response of shoots to phosphate (Pi) deficiency implicates long-distance communication between roots and shoots, but the participating components are poorly understood. We have studied the topology of the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) PHOSPHATE1 (PHO1) Pi exporter and defined the functions of its different domains in Pi homeostasis and signaling. The results indicate that the amino and carboxyl termini of PHO1 are both oriented toward the cytosol and that the protein spans the membrane twice in the EXS domain, resulting in a total of six transmembrane α-helices. Using transient expression in Nicotiana benthamiana leaf, we demonstrated that the EXS domain of PHO1 is essential for Pi export activity and proper localization to the Golgi and trans-Golgi network, although the EXS domain by itself cannot mediate Pi export. In contrast, removal of the amino-terminal hydrophilic SPX domain does not affect the Pi export capacity of the truncated PHO1 in N. benthamiana. While the Arabidopsis pho1 mutant has low shoot Pi and shows all the hallmarks associated with Pi deficiency, including poor shoot growth and overexpression of numerous Pi deficiency-responsive genes, expression of only the EXS domain of PHO1 in the roots of the pho1 mutant results in a remarkable improvement of shoot growth despite low shoot Pi. Transcriptomic analysis of pho1 expressing the EXS domain indicates an attenuation of the Pi signaling cascade and the up-regulation of genes involved in cell wall synthesis and the synthesis or response to several phytohormones in leaves as well as an altered expression of genes responsive to abscisic acid in roots.

Caracterização e propriedades catalíticas da zeolita HZSM5 modificada com nióbio

HZSM5 zeolite was modified by exchanging proton by niobium (V). Several samples were obtained with various degrees of exchange. Pore volumes and acidity were measured to characterize these exchanged zeolites. Catalytic properties were evaluated with two reaction tests: m-xylene transformation and n-heptane cracking. The introduction of niobium on HZSM5 zeolite decreases the diffusion coefficient of 2-methyl-pentane and increases the zeolite acidity. The sample containing niobium are initially more active in cracking of n-heptane and m-xylene isomerization than HZSM5 alone.

Troca iônica no estado sólido de európio3+ em zeólita Y: influência do tempo de reação

Rare earth elements supported in zeolites are the most important catalysts in the fluid cracking of petroleum. The solid state ion exchange of Eu3+ in Y zeolite was investigated. First of all, the hydrated EuCl3 was well mixed in a ball mill and was then heated at 300ºC for different times. The quantitative determination of Eu3+ showed that the degree of ion exchange depends on the reaction time at constant temperature, being ~95% in 4 h. The X-ray study showed that the crystallinity of the zeolite is little affected by the exchange procedure. The study of spectroscopic properties of Eu3+, emission spectra and lifetime, give information about the migration and position of the ion in the zeolite cages.

Decomposição catalítica de óleo de soja em presença de diferentes zeólitas

The catalytic decomposition of soybean oil was studied in a fix bed reactor at 673 and 773 K and using amorphous silica-alumina and the zeolites USY, H-Mordenite and H-ZSM-5 as catalysts. Both the selectivity and the catalytic activity were determined by studying the product composition resulting from the chemical reactions. Physicochemical characteristics of the catalysts were obtained by X-ray fluorescence, Fourier Transform infrared spectroscopy, 29Si and 27Al Nuclear Magnetic Ressonance and textural analysis. The zeolites USY and H-ZSM-5, showing higher Brönsted acidity, yielded products with higher concentration in aromatic hydrocarbons, whereas with both H-Mordenite and amorphous silica-alumina the main products were paraffins.

O relevante papel do agente sililante na modificação de superfícies de polímeros

The applicability of the silylant agents of the general formula Y3Si-R-X, depends on the reactivity of Y group (halide or alcoxide) attached to silicon and the organic function X (halide, amine, thiol, cyanide, etc) in the extreme position of the chain. Both groups are linked together by an organic chain R, containing usually three methylene groups. A series of these agents can be covalently bonded to an inorganic matrix, since the available OH groups are distributed on the surface, making silica gel the most common support. However, other inorganic oxides, zeolites, lamellar inorganic phosphates and chrysotile can also have these agents anchored. Some illustration are presented for immobilized surface in the use as extractors of cations from dilute aqueous or non-aqueous solutions, catalysts agents, ionic exchanged materials, support for enzyme immobilization, chromatographic applications, use in some industrial features and in many other areas. The evolution of this exciting research field to produce new materials, for many tecnological applications, is strongly dependent on the development of a sensible systematic process for the synthesis of a series of new specific silylant agents.

Process intensification: From optimised flow patterns to microprocess technology

This thesis is focused on process intensification. Several significant problems and applications of this theme are covered. Process intensification is nowadays one of the most popular trends in chemical engineering and attempts have been made to develop a general, systematic methodology for intensification. This seems, however, to be very difficult, because intensified processes are often based on creativity and novel ideas. Monolith reactors and microreactors are successful examples of process intensification. They are usually multichannel devices in which a proper feed technique is important for creating even fluid distribution into the channels. Two different feed techniques were tested for monoliths. In the first technique a shower method was implemented by means of perforated plates. The second technique was a dispersion method using static mixers. Both techniques offered stable operation and uniform fluid distribution. The dispersion method enabled a wider operational range in terms of liquid superficial velocity. Using dispersion method, a volumetric gas-liquid mass transfer coefficient of 2 s-1 was reached. Flow patterns play a significant role in terms of the mixing performance of micromixers. Although the geometry of a T-mixer is simple, channel configurations and dimensions had a clear effect on mixing efficiency. The flow in the microchannel was laminar, but the formation of vortices promoted mixing in micro T-mixers. The generation of vortices was dependent on the channel dimensions, configurations and flow rate. Microreactors offer a high ratio of surface area to volume. Surface forces and interactions between fluids and surfaces are, therefore, often dominant factors. In certain cases, the interactions can be effectively utilised. Different wetting properties of solid materials (PTFE and stainless steel) were applied in the separation of immiscible liquid phases. A micro-scale plate coalescer with hydrophilic and hydrophobic surfaces was used for the continuous separation of organic and aqueous phases. Complete phase separation occurred in less than 20 seconds, whereas the separation time by settling exceeded 30 min. Fluid flows can be also intensified in suitable conditions. By adding certain additives into turbulent fluid flow, it was possible to reduce friction (drag) by 40 %. Drag reduction decreases frictional pressure drop in pipelines which leads to remarkable energy savings and decreases the size or number of pumping facilities required, e.g., in oil transport pipes. Process intensification enables operation often under more optimal conditions. The consequent cost savings from reduced use of raw materials and reduced waste lead to greater economic benefits in processing.

Utilização de endoperóxidos de derivados de naftaleno como fontes químicas de oxigênio singlete em sistemas biológicos

Molecular oxygen, in the first excited state (singlet oxygen, ¹O2), has a substantial reactivity towards electron-rich organic molecules, such as biological targets, including unsaturated fatty acids, proteins, RNA and DNA. Considering the complexity of biological systems and the great variety of reactive species generated by photochemistry, efforts have been devoted to develop suitable ¹O2 generators based on the thermolysis of water soluble naphthalene endoperoxides. These compounds are chemically inert and have been employed as versatile sources of ¹O2. The synthesis is based on structural modifications in position 1,4 of dimethylnaphtalene, grafting hydrophilic substituents. The correspondent endoperoxide can be generated using photochemical method, or molybdate-catalyzed disproportionation of hydrogen peroxide.