Acyl-CoA synthetase 3 promotes lipid droplet biogenesis in ER microdomains.

Control of lipid droplet (LD) nucleation and copy number are critical, yet poorly understood, processes. We use model peptides that shift from the endoplasmic reticulum (ER) to LDs in response to fatty acids to characterize the initial steps of LD formation occurring in lipid-starved cells. Initially, arriving lipids are rapidly packed in LDs that are resistant to starvation (pre-LDs). Pre-LDs are restricted ER microdomains with a stable core of neutral lipids. Subsequently, a first round of"emerging" LDs is nucleated, providing additional lipid storage capacity. Finally, in proportion to lipid concentration, new rounds of LDs progressively assemble. Confocal microscopy and electron tomography suggest that emerging LDs are nucleated in a limited number of ER microdomains after a synchronized stepwise process of protein gathering, lipid packaging, and recognition by Plin3 and Plin2. A comparative analysis demonstrates that the acyl-CoA synthetase 3 is recruited early to the assembly sites, where it is required for efficient LD nucleation and lipid storage.

Acyl-CoA synthetase 3 promotes lipid droplet biogenesis in ER microdomains.

Control of lipid droplet (LD) nucleation and copy number are critical, yet poorly understood, processes. We use model peptides that shift from the endoplasmic reticulum (ER) to LDs in response to fatty acids to characterize the initial steps of LD formation occurring in lipid-starved cells. Initially, arriving lipids are rapidly packed in LDs that are resistant to starvation (pre-LDs). Pre-LDs are restricted ER microdomains with a stable core of neutral lipids. Subsequently, a first round of"emerging" LDs is nucleated, providing additional lipid storage capacity. Finally, in proportion to lipid concentration, new rounds of LDs progressively assemble. Confocal microscopy and electron tomography suggest that emerging LDs are nucleated in a limited number of ER microdomains after a synchronized stepwise process of protein gathering, lipid packaging, and recognition by Plin3 and Plin2. A comparative analysis demonstrates that the acyl-CoA synthetase 3 is recruited early to the assembly sites, where it is required for efficient LD nucleation and lipid storage.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Control and Simulation of Batch Crystallization

Concerning process control of batch cooling crystallization the present work focused on the cooling profile and seeding technique. Secondly, the influence of additives on batch-wise precipitation process was investigated. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model for simulation of controlled batch cooling crystallization was developed. A novel cooling model to control supersaturation level during batch-wise cooling crystallization was introduced. The crystallization kinetics together with operating conditions, i.e. seed loading, cooling rate and batch time, were taken into account in the model. Especially, the supersaturation- and suspension density- dependent secondary nucleation was included in the model. The interaction between the operating conditions and their influence on the control target, i.e. the constant level of supersaturation, were studied with the aid of a numerical solution for the cooling model. Further, the batch cooling crystallization was simulated with the ideal mixing model and CFD model. The moment transformation of the population balance, together with the mass and heat balances, were solved numerically in the simulation. In order to clarify a relationship betweenthe operating conditions and product sizes, a system chart was developed for anideal mixing condition. The utilization of the system chart to determine the appropriate operating condition to meet a required product size was introduced. With CFD simulation, batch crystallization, operated following a specified coolingmode, was studied in the crystallizers having different geometries and scales. The introduced cooling model and simulation results were verified experimentallyfor potassium dihydrogen phosphate (KDP) and the novelties of the proposed control policies were demonstrated using potassium sulfate by comparing with the published results in the literature. The study on the batch-wise precipitation showed that immiscible additives could promote the agglomeration of a derivative of benzoic acid, which facilitated the filterability of the crystal product.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

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.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

Rikkiyhdisteiden laskenta simuloinneissa

Diplomityön tarkoituksena on tutkia eri laskentamenetelmien soveltuvuutta kevyiden rikkiyhdisteiden laskentaan ja kuinka mitatusta kaasu-neste tasapainotiedoista sovitetut binääriset vuorovaikutusparametrit parantavat kaasu-neste tasapainojen laskentaa simuloinneissa. Kirjallisuusosassa paneudutaan kevyisiin rikkiyhdisteisiin ja niiden aineominaisuuksiin. Lisäksi käsitellään öljynjalostuksessa nykyisin käytettäviä ja uusia kehitteillä olevia rikinpoistomenetelmiä.Kokeellisessa osassa tarkastellaan eri laskentamenetelmien soveltuvuutta rikkiyhdisteiden ja kevyiden hiilivetyjen kaasu-neste tasapainon laskentaan. Mitatusta rikkiyhdisteiden ja hiilivetyjen kaasu-neste tasapainoista sovitetaan binäärisiä vuorovaikutusparametrejä tarkentamaan käytettäviä laskentamenetelmiä. Osassa verrataan binääristen seosten mittaustuloksia eri laskentamenetelmillä saatuihin simulointituloksiin. Tarkasteluiden perusteella tehdään johtopäätöksiä laskentamenetelmien soveltuvuudesta kevyiden hiilivetyjen ja rikkiyhdisteiden laskentaan. Tarkastellaan kahden prosessin (rikkivetystripperi ja butaaninpoistokolonni) rikkiyhdisteiden laskentaa. Prosesseille tehdään taseajot, joista saatuja analyysituloksia verrataan simulointien antamiin tuloksiin. Työssä tarkastellaan myös veden liukoisuuden laskentaa ja mahdollisten laskentamenetelmien käytön vaikutusta rikkiyhdisteiden laskentaan.

Thermodynamic stability of nanosized multicomponent bubbles/droplets: The square gradient theory and the capillary approach

Formation of nanosized droplets/bubbles from a metastable bulk phase is connected to many unresolved scientific questions. We analyze the properties and stability of multicomponent droplets and bubbles in the canonical ensemble, and compare with single-component systems. The bubbles/droplets are described on the mesoscopic level by square gradient theory. Furthermore, we compare the results to a capillary model which gives a macroscopic description. Remarkably, the solutions of the square gradient model, representing bubbles and droplets, are accurately reproduced by the capillary model except in the vicinity of the spinodals. The solutions of the square gradient model form closed loops, which shows the inherent symmetry and connected nature of bubbles and droplets. A thermodynamic stability analysis is carried out, where the second variation of the square gradient description is compared to the eigenvalues of the Hessian matrix in the capillary description. The analysis shows that it is impossible to stabilize arbitrarily small bubbles or droplets in closed systems and gives insight into metastable regions close to the minimum bubble/droplet radii. Despite the large difference in complexity, the square gradient and the capillary model predict the same finite threshold sizes and very similar stability limits for bubbles and droplets, both for single-component and two-component systems.

Bonding of gold nanoclusters to oxygen vacancies on rutile TiO2(110)

Through an interplay between scanning tunneling microscopy (STM) and density functional theory (DFT) calculations, we show that bridging oxygen vacancies are the active nucleation sites for Au clusters on the rutile TiO2(110) surface. We find that a direct correlation exists between a decrease in density of vacancies and the amount of Au deposited. From the DFT calculations we find that the oxygen vacancy is indeed the strongest Au binding site. We show both experimentally and theoretically that a single oxygen vacancy can bind 3 Au atoms on average. In view of the presented results, a new growth model for the TiO2(110) system involving vacancy-cluster complex diffusion is presented.

Determinação permanganimétrica de íons Fe3+ com o uso de zinco metálico como redutor - uma contribuição ao ensino de química analítica

The classical volumetric titration of Fe2+ with MnO4-, used in some routine analysis as well as in undergraduate courses was improved. SnCl2 (to reduce Fe3+ to Fe2+) and HgCl2 (to oxidize excess SnCl2) were substituted by metallic zinc in boiling solutions, thus avoiding the toxic HgCl2 and Hg2Cl2; nitrate ions do not interfere in the improved methodology (it is an interference in the classical one) and the reproducibility of the determinations is increased by using metallic zinc. Determinations by students of undergraduate courses are discussed.

Partículas nanométricas de ferritas de ítrio

Nanoparticles of yttrium iron garnet (YIG) were obtained by coprecipitation. The particles were prepared by hydrolysis in acid medium with addition of ammonia or urea, for homogeneous nucleation, at 90ºC. Different compositions and spherical morphologies were achieved by changing reactants concentrations and precipitation agent. X-ray diffractometry, transmission electron microscopy, differential thermal analysis and electrophoretic mobility were carried out on these particles to investigate the obtained phase, phase transition temperature, morphology, particle size and zeta potential, respectively.

Nano vitrocerâmica de escória de aciaria

The manufacture of glass-ceramics is an alternative route for the commercial use of metallurgical slags. Such types of glass-ceramics may find commercial applications owing to their low cost, good mechanical properties and superior visual aspect. Besides, due to the elimination of that industrial residue from the environment and also due to the possibility of replacement of natural stones such as marbles and granites, the use of slags is an activity with strong ecological appeal. While the use of blast-furnace slags for the production of glass-ceramics is well known, the utilization of steel making slags constitutes a challenge, because these materials possess low concentration of SiO2. In this work a novel composition for producing glasses and glass-ceramics from a steelmaking slag is presented. The crystal nucleation kinetics, the characterization of the resulting microstructures for two different thermal treatments and mechanical properties of the glass-ceramics are discussed. A glass-ceramic having a marble aspect, fine volumetric crystallization, high degree of crystallization and improved mechanical strength was obtained.

Estudo do efeito da quantidade de óxido de ferro em cinzas pesadas de carvão mineral na obtenção de vitrocerâmicos

Bottom ash has been used as raw material to glass and glass ceramic production because it is a source of SiO2 and Al2O3. However, the high concentration of iron (about 10% wt.) difficulty the control of the nucleation and the crystallization processes. The iron content was reduced by magnetic process, where the magnetite phase was mainly removed. In order to compare glass ceramics obtained from original and low iron bottom ashes, microstructural and dilatometric characterizations were performed.