The role of MIC-1/GDF15 cytokine in glioblastoma

AbstractDespite advances in diagnosis and treatment made over the past two decades, high-gradeprimary brain tumors remain incurable neoplasms. Glioblastoma (GBM) represents the mostmalignant stage of astrocytic brain tumors. Identification of diagnostic and prognostic markers ineasily accessible biological material, such as plasma or cerebro-spinal fluid (CSF), would greatlyfacilitate the management of GBM patients. Elucidation of the molecular mechanisms that underlie thefunction of the factors implicated in GBM development would pave the way towards their potentialutility in cancer-targeting therapy.MIC-1/GDF15 (Macrophage Inhibitory Cytokine-1/ Growth Differentiation Factor 15), asecreted protein of the TGF-β superfamily, emerged as a candidate marker exhibiting increasingmRNA expression during astrocytoma malignant progression. However, injection of MIC-1/GDF15over-expressing GBM cell lines into nude mice has been previously shown to completely abolish theinherent tumorigenicity.In this study, determination of MIC-1/GDF15 protein levels in the CSF of a cohort of 94patients with intracranial tumors including astrocytomas (grades II, III and IV), meningioma, andmetastasis revealed significantly increased concentrations in GBM patients as compared to controlcohort of patients treated for non-neoplastic diseases. However, MIC-1/GDF15 levels were notelevated in the matching plasma samples from these patients. Most interestingly, GBM patients withthe increased concentrations of MIC-1/GDF15 in the CSF had worse outcome.In GBM tissue, it was found that the expression of MIC-1/GDF15 gene is low. Promotermethylation of the gene may partially explain the overall low expression levels. Investigation of thecellular origin of MIC-1/GDF15 expression in GBM tissue led to the MIC-1/GDF15 protein detectionin a subpopulation of the tumor infiltrating macrophages. These findings substantiated the workinghypothesis of MIC-1/GDF15 as harboring tumor-suppressive properties in GBM. Analysis of thesignaling pathway mediated by MIC-1/GDF15 in GBM highlighted the potential role of TGF-β signaltransduction. However, the lack of the functional response to the presence of MIC-1/GDF15 in-vitrosuggested operation of a paracrine loop for suppression of tumor formation which is evident solely invivo.In conclusion, MIC-1/GDF15 protein measured in the CSF may have diagnostic andprognostic values in patients with intracranial tumors. Molecular studies collectively proposeimplication of the tumor-host interactions in mediating the MIC-1/GDF15 tumor-suppressing activityduring GBM development.RésuméMalgré les progrès durant ces deux dernières décennies dans le diagnostique et le traitementdes tumeurs du cerveau primaires, ces néoplasmes restent incurables. Le glioblastome représente laforme la plus maligne des tumeurs astrocytiques du cerveau (astrocytomes). Pour le diagnostic et lepronostic, l'identification de marqueurs présents dans des substances facilement accessibles comme leplasma où le liquide céphalorachidien (LCR) faciliterait beaucoup la prise en charge des patients. Lacompréhension des mécanismes moléculaires de facteurs impliqués dans le développement du GBMpourrait ouvrir la voie vers l'utilisation de ces mécanismes dans des thérapies ciblées.MIC-1/GDF15 (Macrophage Inhibitory Cytokine-1/ Growth Differentiation Factor 15), uneprotéine secrétée qui appartient à la superfamille TGF-β, s'est révélé être un marqueur candidat, dontl'expression d'ARN messager augmente pendant la progression des astrocytomes malins. Cependant,une précedente étude montre que l'injection des lignées cellulaires de GBM fortement productrices deMIC-1/GDF15 dans des souris immunodéprimées abolit la tumorigénicité.Dans cette étude, les mesures dans une cohorte de 94 patients atteints de tumeursintracrâniennes comprenant des astrocytomes (grades II, III et IV), méningiomes et métastases,présentent des augmentations significatives des niveaux protéiques de MIC-1/GDF15 dans le LCRdes patients atteints de GBM par rapport aux patients traités pour des maladies non cancéreuses.Cependant, les niveaux de MIC-1/GDF15 n'étaient pas spécialement élevés dans le plasma. De plus,les patients atteints d'un GBM avec des niveaux élevés de MIC-1/GDF15 dans le LCR ont survécumoins longtemps. Dans les tissus de glioblastome, on observe que le gène MIC-1/GDF15 est peuexprimé. La méthylation du promoteur explique partiellement le faible niveau d'expression du gène.La recherche l'origine cellulaire de l'expression de MIC-1/GDF15, a permis de découvrir la présencede protéines MIC-1/GDF15 dans une sous-population de macrophages qui infiltrent les tumeurs. Cetteobservation supporte l'hypothèse que MIC-1/GDF15 présentait des propriétés de suppression destumeurs de type GBM. Des études sur les voies de signalisation régulées par MIC-1/GDF15 dans lesGBMs ont souligné l'importance de la voie de transduction du signal TGF-β. Cependant, l'absence deréponse fonctionnelle à MIC-1/GDF15 in vitro suggère fortement l'activité d'une boucle paracrinepour la répression de la formation de tumeur, qui n'est observé que in vivo.En conclusion, la protéine MIC-1/GDF15 mesurée dans le LCR pourrait avoir une valeur pourle diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de GBM. Les études moléculaires suggèrent unepossible implication de l'interaction hôte-tumeur dans l'activité anti-tumorale de MIC-1/GDF15 sur leGBM.

Granulocyte macrophage colony stimulating factor improves mucosal repair in a mouse model of acute colitis (P278)

Background and Aims: Granulocyte-macrophage colonystimulating factor (GM-CSF), a cytokine modulating the number and function of innate immune cells, has been shown to provide symptomatic benefit in some patients with Crohn's disease (CD). Since, it becomes widely appreciated that a timely and spatially regulated action of innate immune cells is critical for tissue regeneration, we tested whether GM-CSF therapy may favours intestinal mucosal repair in the acute mouse model of dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis. Methods: Mice treated with GM-CSF or saline were exposed for 7 days to DSS to induce colitis. On day 5, 7 and 10, mice were subjected to colonoscopy or sacrificed for evaluation of inflammatory reaction and mucosal healing. Results: GM-CSF therapy prevented body weight loss, diarrhea, dampened inflammatory reactions and ameliorated mucosal damages. Mucosal repair improvement in GM-CSF-treated mice was observed from day 7 on both by colonoscopy (ulceration score 1.2}0.3 (GM-CSF-treated) vs 3.1}0.5 (untreated), p = 0.01) and histological analysis (percentage of reepithelialized ulcers 55%}4% (GM-CSF-treated) vs 18%}13% (untreated), p = 0.01). GM-CSF therapy can still improve the colitis when hematopoietic, but not non-hematopoietic cells, are responsive to GM-CSF, as shown in WT→GM-CSFRKO chimeras. Lastly, we observed that GM-CSF-induced promotion of wound healing is associated with a modification of the cellular composition of DSS-induced colonic inflammatory infiltrate, characterized by the reduction of neutrophil numbers and early accumulation of CD11b+Gr1lo myeloid cells. Conclusion: Our study shows that GM-CSF therapy accelerates the complex program leading to tissue repair during acute colitis and suggests that GM-CSF promotion of mucosal repair might contribute to the symptomatic benefits of GM-CSF therapy observed in some CD patients.

Quantitative morphometry analysis of the fetal brain using clinical MR imaging

In vivo fetal magnetic resonance imaging provides aunique approach for the study of early human braindevelopment [1]. In utero cerebral morphometry couldpotentially be used as a marker of the cerebralmaturation and help to distinguish between normal andabnormal development in ambiguous situations. However,this quantitative approach is a major challenge becauseof the movement of the fetus inside the amniotic cavity,the poor spatial resolution provided by very fast MRIsequences and the partial volume effect. Extensiveefforts are made to deal with the reconstruction ofhigh-resolution 3D fetal volumes based on severalacquisitions with lower resolution [2,3,4]. Frameworkswere developed for the segmentation of specific regionsof the fetal brain such as posterior fossa, brainstem orgerminal matrix [5,6], or for the entire brain tissue[7,8], applying the Expectation-Maximization MarkovRandom Field (EM-MRF) framework. However, many of theseprevious works focused on the young fetus (i.e. before 24weeks) and use anatomical atlas priors to segment thedifferent tissue or regions. As most of the gyraldevelopment takes place after the 24th week, acomprehensive and clinically meaningful study of thefetal brain should not dismiss the third trimester ofgestation. To cope with the rapidly changing appearanceof the developing brain, some authors proposed a dynamicatlas [8]. To our opinion, this approach however faces arisk of circularity: each brain will be analyzed /deformed using the template of its biological age,potentially biasing the effective developmental delay.Here, we expand our previous work [9] to proposepost-processing pipeline without prior that allow acomprehensive set of morphometric measurement devoted toclinical application. Data set & Methods: Prenatal MRimaging was performed with a 1-T system (GE MedicalSystems, Milwaukee) using single shot fast spin echo(ssFSE) sequences (TR 7000 ms, TE 180 ms, FOV 40 x 40 cm,slice thickness 5.4mm, in plane spatial resolution1.09mm). For each fetus, 6 axial volumes shifted by 1 mmwere acquired under motherâeuro?s sedation (about 1min pervolume). First, each volume is segmentedsemi-automatically using region-growing algorithms toextract fetal brain from surrounding maternal tissues.Inhomogeneity intensity correction [10] and linearintensity normalization are then performed. Brain tissues(CSF, GM and WM) are then segmented based on thelow-resolution volumes as presented in [9]. Ahigh-resolution image with isotropic voxel size of 1.09mm is created as proposed in [2] and using B-splines forthe scattered data interpolation [11]. Basal gangliasegmentation is performed using a levet setimplementation on the high-resolution volume [12]. Theresulting white matter image is then binarized and givenas an input in FreeSurfer software(http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu) to providetopologically accurate three-dimensional reconstructionsof the fetal brain according to the local intensitygradient. References: [1] Guibaud, Prenatal Diagnosis29(4) (2009). [2] Rousseau, Acad. Rad. 13(9), 2006. [3]Jiang, IEEE TMI 2007. [4] Warfield IADB, MICCAI 2009. [5]Claude, IEEE Trans. Bio. Eng. 51(4) 2004. [6] Habas,MICCAI 2008. [7] Bertelsen, ISMRM 2009. [8] Habas,Neuroimage 53(2) 2010. [9] Bach Cuadra, IADB, MICCAI2009. [10] Styner, IEEE TMI 19(39 (2000). [11] Lee, IEEETrans. Visual. And Comp. Graph. 3(3), 1997. [12] BachCuadra, ISMRM 2010.

Use of anisotropic modelling in electrical impedance tomography: description of method and preliminary assessment of utility in imaging brain function in the adult human head.

Electrical Impedance Tomography (EIT) is an imaging method which enables a volume conductivity map of a subject to be produced from multiple impedance measurements. It has the potential to become a portable non-invasive imaging technique of particular use in imaging brain function. Accurate numerical forward models may be used to improve image reconstruction but, until now, have employed an assumption of isotropic tissue conductivity. This may be expected to introduce inaccuracy, as body tissues, especially those such as white matter and the skull in head imaging, are highly anisotropic. The purpose of this study was, for the first time, to develop a method for incorporating anisotropy in a forward numerical model for EIT of the head and assess the resulting improvement in image quality in the case of linear reconstruction of one example of the human head. A realistic Finite Element Model (FEM) of an adult human head with segments for the scalp, skull, CSF, and brain was produced from a structural MRI. Anisotropy of the brain was estimated from a diffusion tensor-MRI of the same subject and anisotropy of the skull was approximated from the structural information. A method for incorporation of anisotropy in the forward model and its use in image reconstruction was produced. The improvement in reconstructed image quality was assessed in computer simulation by producing forward data, and then linear reconstruction using a sensitivity matrix approach. The mean boundary data difference between anisotropic and isotropic forward models for a reference conductivity was 50%. Use of the correct anisotropic FEM in image reconstruction, as opposed to an isotropic one, corrected an error of 24 mm in imaging a 10% conductivity decrease located in the hippocampus, improved localisation for conductivity changes deep in the brain and due to epilepsy by 4-17 mm, and, overall, led to a substantial improvement on image quality. This suggests that incorporation of anisotropy in numerical models used for image reconstruction is likely to improve EIT image quality.

Dimethylarginines, homocysteine metabolism, and cerebrospinal fluid markers for Alzheimer's disease.

Dimethylarginine and homocysteine metabolism are closely linked and alterations of both were observed in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) of patients with Alzheimer's disease (AD). CSF parameters of homocysteine metabolism have recently been found to be associated with the CSF level of the AD biomarker phosphorylated tau (ptau) in AD patients. To investigate possible relationships between homocysteine and dimethylarginine metabolism and the AD CSF biomarkers ptau181 and amyloid-β 1-42 (Aβ42), we assessed parameters of homocysteine metabolism (CSF homocysteine, S-adenosylmethionine (SAM), S-adenosylhomocysteine (SAH), 5-methyltetrahydrofolate (5-MTHF)) and dimethylarginine metabolism (plasma and CSF asymmetric dimethylarginine (ADMA), symmetric dimethylarginine, L-arginine) as well as CSF Aβ42 and ptau181 in 98 controls and 51 AD patients. Multivariate linear regression analyses were performed to assess associations between the considered parameters. SAH concentrations show significant associations to CSF ADMA levels, and CSF ADMA and L-arginine to ptau181, but not to Aβ42 concentrations in AD patients. When including concentrations of homocysteine, 5-MTHF, SAM, and SAH into the analysis, CSF ADMA concentrations independently predicted ptau181 levels in AD patients but homocysteine-related metabolites were associated with ptau181 only when ADMA was removed from the analysis model. These results suggest that CSF ADMA may interact with CNS homocysteine metabolism and may contribute to neurodegeneration and accumulation of phosphorylated tau in AD. Functional and interventional studies are needed to further proof this hypothesis.

Optimal Mechanical PulpingProcesses for Eucalyptus, Acacia and Birch

Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin eukalyptuksen, akaasian ja koivun kemimekaanista kuiduttamista ja valkaisua. Yleensä näitä puulajeja käytetään sellun keittoon. Puulajit eroavat toisistaan kasvupaikan ja kuiturakenteen osalta. Eukalyptus ja akaasia ovat niin sanottuja trooppisia lehtipuita, kun taas koivu kasvaa pohjoisilla vyöhykkeillä. Koivulla on kookkaimmat kuidut ja akaasialla pienimmät kuidut. Myös näiden lajien putkilot eroavat toisistaan. Koivun putkilot ovat pitkiä ja kapeita, kun taas eukalyptuksen ja akaasian putkilot ovat lyhyitä ja leveitä. Prosessiksi valittiin kaksivaiheinen APMP-prosessi. Koeajot tehtiinKeskuslaboratorio Oy:ssä. Massoille asetettiin seuraavat tavoitteet: freeness 150-200 ml ja vaaleus 80 %ISO. Eukalyptukselle ja koivulle tehtiin kaksi erilaista impregnointisarjaa, mutta akaasialle vain yksi. Jauhatuksen viimeisessä vaiheessa kokeiltiin myös jauhinvalkaisua. Jauhatuksen energiankulutus oli korkea varsinkin eukalyptuksella ja akaasialla. Jotta energiankulutus saataisiin pienemmäksi, tulisi käyttää enemmän lipeää, mutta se johtaa alkalitummumiseen. Lopuksi massat valkaistiin laboratoriossa. Eukalyptus ja koivu pystyttiin valkaisemaan vaaleuteen 80 %ISO, mutta eukalyptuksen valkaisu vaati enemmän peroksidia kuin koivun valkaisu. Akaasian lähtövaaleus oli niin alhainen, ettei siinä päästy tavoitevaaleuteen. Eukalyptuksella on parempi valonsironta ja paremmat lujuusominaisuudet kuin koivulla. Kemimekaanista massaa voidaan käyttää hienopaperissa parantamassa jäykkyyttä, bulkkia ja valonsirontaa, mutta usein ongelmana on alhainen vaaleus ja huono vaaleuden pysyvyys. Kemimekaanista massaa voidaankäyttää missä tahansa mekaanisissa painopapereissa. Mekaanisissa painopapereissa kemimekaanisella lehtipuumassalla voidaan korvata mekaanista havupuumassaa. Akaasia on niin tummaa, ettei sitä voida käyttää korkeavaaleuksisiin papereihin. Eukalyptus ja koivu ovat vaaleampia ja helpompia valkaista kuin akaasia, mutta myös niillä on niin huono vaaleudenpysyvyys että käyttö hienopapereissa on rajoittunutta. Mekaanisille eukalyptus ja koivumassoille hienopaperia parempi käyttökohde on mekaaniset painopaperit, kuten MWC-paperi.

Partial protection and intrathecal invasion of CD8(+) T cells in acute canine distemper virus infection.

Initial non-inflammatory demyelination in canine distemper virus infection (CDV) develops against a background of severe immunosuppression and is therefore, thought to be virus-induced. However, recently we found a marked invasion of T cells throughout the central nervous system (CNS) in dogs with acute distemper despite drastic damage to the immune system. In the present study, this apparent paradox was further investigated by immunophenotyping of lymphocytes, following experimental CDV challenge in vaccinated and non-vaccinated dogs. In contrast to CDV infected, unprotected dogs, vaccinated dogs did not become immunosuppressed and exhibited a strong antiviral immune response following challenge with virulent CDV. In unprotected dogs rapid and drastic lymphopenia was initially due to depletion of T cells. In peripheral blood, CD4(+) T cells were more sensitive and depleted earlier and for a longer time than CD8(+) cells which recovered soon. In the cerebrospinal fluid (CSF) we could observe an increase in the T cell to B cell and CD8(+) to CD4(+) ratios. Thus, partial protection of the CD8(+) cell population could explain why part of the immune function in acute distemper is preserved. As found earlier, T cells invaded the CNS parenchyma in these dogs but also in the protected challenged dogs, which did not develop any CNS disease at all. Since markers of T cell activation were upregulated in both groups of animals, this phenomenon could in part be related to non-specific penetration of activated T cells through the blood brain barrier. However, in diseased animals much larger numbers of T cells were found in the CNS than in the protected dogs, suggesting that massive invasion of T cells in the brain requires CDV expression in the CNS.

Development of fibre recovery process

The fiber recovery process is an essential part of the modern paper mill. It creates the basisfor mill's internal recirculation of the most important raw materials ¿ water and fiber. It is normally also a start point for further treatment of wastewater and if it works efficiently, it offers excellent basis to minimize effluents. This dissertation offers two different approaches to the subject. Firstly a novel save-all disc filter feeding system is developed and presented. This so-called precoat method is tested both in the laboratory and full-scale conditions. In laboratory scale it beats the traditional one clearly, when low freeness pulps are used as a sweetener stock. The full-scale application needs still some development work before it can be implemented to the paper mills. Secondly, the operationenvironment of save-all disc filter is studied mostly in laboratory conditions.The focus of this study is in cases, where low-freeness pulps are used as a sweetener stock of save-all filter. The effects of CSF-value, pressure drop, suspension consistency and retention chemicals to the quantity and quality of the filtrate was studied. Also the filtration resistance of the low freeness pulps was one studied.

Cerebrospinal fluid cortisol and clinical disease progression in MCI and dementia of Alzheimer's type.

Increased peripheral and central nervous system cortisol levels have been reported in Alzheimer's disease (AD) and may reflect dysfunction of cerebral components of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis. However, brain exposure to high cortisol concentrations may also accelerate disease progression and cognitive decline. The objectives of this study were to investigate whether HPA-axis dysregulation occurs at early clinical stages of AD and whether plasma and CSF cortisol levels are associated with clinical disease progression. Morning plasma and CSF cortisol concentrations were obtained from the subjects with AD dementia, mild cognitive impairment of AD type (MCI-AD), MCI of other type (MCI-O), and controls with normal cognition included in a multicenter study from the German Dementia Competence Network. A clinical and neuropsychological follow-up was performed in a subgroup of participants with MCI-AD, MCI-O, and AD dementia. CSF cortisol concentrations were increased in the subjects with AD dementia or MCI-AD compared with subjects with MCI-O or normal cognition. After controlling for possible confounders including CSF measures of amyloid beta1-42 and total tau, higher baseline CSF cortisol levels were associated with faster clinical worsening and cognitive decline in MCI-AD. The findings suggest that HPA-axis dysregulation occurs at the MCI stage of AD and may accelerate disease progression and cognitive decline.

Left temporal lobe epilepsy revealing left posterior cortical atrophy due to Alzheimer's disease.

Seizures can be an early symptom of Alzheimer's disease (AD) and can precede cognitive decline. Early epilepsy in AD can mimic transient epileptic amnesic syndrome (TEAS) or epileptic amnesic syndrome. We report the case of a patient who started a cerebrospinal fluid (CSF)-proven AD with partial seizures and TEAS that secondarily became a cortical posterior atrophy syndrome. CSF biomarkers showed a high amyloid production, amyloidopathy, and high level of total tau and p-Tau. This observation adds data to the complex AD-early epilepsy interactions and illustrates that atypical AD can cause a TEAS. Possible red flags for an underlying neurodegenerative process in TEAS are discussed.

Toxicity screenings of nanomaterials: challenges due to interference with assay processes and components of classic in vitro tests.

Given the multiplicity of nanoparticles (NPs), there is a requirement to develop screening strategies to evaluate their toxicity. Within the EU-funded FP7 NanoTEST project, a panel of medically relevant NPs has been used to develop alternative testing strategies of NPs used in medical diagnostics. As conventional toxicity tests cannot necessarily be directly applied to NPs in the same manner as for soluble chemicals and drugs, we determined the extent of interference of NPs with each assay process and components. In this study, we fully characterized the panel of NP suspensions used in this project (poly(lactic-co-glycolic acid)-polyethylene oxide [PLGA-PEO], TiO2, SiO2, and uncoated and oleic-acid coated Fe3O4) and showed that many NP characteristics (composition, size, coatings, and agglomeration) interfere with a range of in vitro cytotoxicity assays (WST-1, MTT, lactate dehydrogenase, neutral red, propidium iodide, (3)H-thymidine incorporation, and cell counting), pro-inflammatory response evaluation (ELISA for GM-CSF, IL-6, and IL-8), and oxidative stress detection (monoBromoBimane, dichlorofluorescein, and NO assays). Interferences were assay specific as well as NP specific. We propose how to integrate and avoid interference with testing systems as a first step of a screening strategy for biomedical NPs.

LWC-SYVÄPAINOHIOKKEEN LAADUN OPTIMOINTI

Työn tavoitteena oli hiokkeen laatua optimoimalla löytää keinoja pohjapaperin opasiteetin parantamiseksi. Tehtaalla oli havaittu hiokkeen palstautumislujuuden pudonneen ja pian tämän jälkeen oli paperikoneella nostettu sellun jauhatustehoa mikä puolestaan vaikuttaa negatiivisesti pohjapaperin opasiteettiin. Päähuomio hiokkeen laadun optimoinnissa keskitettiin tästä syystä palstautumislujuuden tason nostamiseen. Kirjallisuuden mukaan tärkein hiokkeen palstautumislujuuteen ja myös opasiteettiin vaikuttava tekijä on massan hienoaines. Hiokkeen hienoainespitoisuuden lisäämistä tutkittiin tässä työssä seuraavalla kolmella tavalla: rejektijauhatuksen optimointi, kivenalusmassan CSF-tason alentaminen ja jälkijauhatustehon lisääminen. Työn toisena tavoitteena oli varmistaa rejektilinjan kapasiteetin riittävyys, erityisesti rejektilajitin 6:n osalta. Taustana tälle tarkastelulle oli mahdollisen lisälajittimen investointitarve RL 6:n rinnalle. Rejektijauhatuksen optimoinnissa tutkittiin jauhatustehon, eri terämallien ja kahden rinnakkaisen rejektijauhimen (yhden sijasta) vaikutusta jauhetun rejektimassan ominaisuuksiin. Pidättävillä rejektijauhimen terillä jauhetusta massasta tuli pitkäkuituisempaa kuin referenssiterillä, joissa staattori oli pumppaava ja roottori pidättävä. Mutta vaikka pidättävillä terillä jauhettu massa oli pitkäkuituisempaa ja sisälsi vähemmän hienoainetta oli sen palstautumislujuus samaa luokkaa kuin referenssiterillä jauhetun massan. Kahden rinnakkaisen jauhimen ajomallilla saatiin laadultaan kaikein heikointa massaa. Kaikissa koeajoissa saatiin rejektimassan palstautumislujuutta parannettua jauhatustehoa lisäämällä. Kivenalusmassan CSF-tasoa alentamalla ei valmiin annosteluhiokkeen palstautumislujuus alentunut vaikka hiokkeen hienoainespitoisuus kasvoi hieman. Mutta vaikka hiokkeen palstautumislujuus ei kasvanutkaan niin koejaksolla, joka oli pituudeltaan hieman yli kuukauden, pohjapaperin opasiteetti kuitenkin parani hieman ja sellun jauhatustehoa voitiin paperikoneella pudottaa hieman. Palstautumislujuuskartoituksen, jossa otettiin näytteitä hiomon eri prosessivaiheista, mukaan jälkijauhatus oli yksittäisenä prosessivaiheena eniten hiokkeen palstautumislujuuteen vaikuttava prosessivaihe. Jälkijauhatuskoeajosta saatiinkiin parhaimmat tulokset hienoainespitoisuuden ja palstautumislujuuden nousun suhteen. Rejektilajittelun massarejektisuhteiden määritysten ja rejektilajitin 6:n kapasiteettikokeen mukaan rejektilajittelu toimii nykyisellä tuotantomäärällä halutunlaisesti ja rejektilajitin 6:n osalta tuotantoa on vielä varaa nostaakin.

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

Nestepakkauskartongin runkokerroksen rakenteen optimointi

Diplomityön tavoitteena oli optimoida KA4:n nestepakkauskartongin runkokerroksen massakoostumus ja rakenne kartonkikoneen uusinnan jälkeen. Työssä tutkittiin Natura 285 –laatua, jota käytetään yhden litran vetoisissa maitopurkeissa. Pääasiallisena tavoitteena oli lisätä CTMP:n osuutta ja vähentää mäntysellun osuutta rungossa siten, että kartongin laatu ei heikkene. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin nestepakkauskartongin kriittisiin ominaisuuksiin ja CTMP:n vaikutuksiin runkokerroksessa. Rainanmuodostusta ja kuituverkoston lujuuden syntymistä käsiteltiin omina kokonaisuuksinaan. CTMP:n freeness-tason huomattava vähentäminen kasvattaa kartongin z-lujuutta ja palstautumislujuutta merkittävästi. Samalla höyrynkulutus kuitenkin kasvaa ja kartongin jäykkyys laskee jonkin verran paksuuden vähenemisen seurauksena. CTMP:n freeness-tason alentaminen arvosta 420 ml CSF arvoon 380 ml CSF ei alenna bulkkia merkittävästi. CTMP:n määrän kasvattaminen yli 60 %:in keskikerroksessa alentaa palstautumislujuutta ja z-lujuutta merkittävästi. Runkokerroksen mäntysellun korvaaminen koivusellulla parantaa kartongin sileyttä merkittävästi vakiopaksuudessa. Runkokerroksen massakomponenttien jauhatuksen lisäämisestä huolimatta z-lujuus ja palstautumislujuus laskevat vastaavasti huomattavan paljon. Koivusellun käytöllä valmiin pakkauksen ominaisuudet eivät heikkene, mutta painatusominaisuudet paranevat. CTMP-laitoksen pääjauhinten uudella LE-terämallilla saavutetaan huomattava energian säästö vanhaan terämalliin verrattuna. Kuidun keskipituus laskee jonkin verran LE-terien ikääntyessä ja samalla kuitujen sitoutumiskyky heikkenee.

Hiomon AI-järjestelmän toimivuuden arviointi

Työn tavoitteena oli uudentyyppisen hiontaprosessin ohjausjärjestelmän kehittäminen ja testaaminen UPM-Kymmene Kaukaan hiomossa. Uuden ohjausjärjestelmän perusajatuksena oli pitää yksittäistä hiomakiveä jatkuvasti optimaalisessa toimintapisteessä, ja hiomon kaikilla koneilla pyrittiin samaan kivenalusmassan laatuun. Uutta ohjaustapaa kutsuttiin Optimum operating point -strategiaksi (OOPS). Hiomakiven pitäminen optimaalisessa toimintapisteessä tapahtui pääosin vesiteräyskäsittelyllä, jonka intensiteettiä ohjasi asiantuntijajärjestelmä (AI-järjestelmä). Lisäksi testattiin ohjelmoidun anturan nopeussäädön vaikutusta hiomakoneen resurssien käyttöön. AI-järjestelmä päätteli vesiteräyskäsittelyn tarpeellisuuden CSF-mallin ja hiomakoneen resurssien perusteella. Seurannasta saatujen tulosten perusteella AI-järjestelmän käyttöönotto vesiteräyskäsittelyssä paransi tuotannon ja massan laadun tasaisuutta. Hiomakoneiden resurssien havaittiin pienenevän puunsyöttölinjan mukaisesti. Paksummat pöllit kerääntyvät linjan päähän, jolloin varsinkin hydrauliikkapaineiden tarve lisääntyy linjan päässä olevilla hiomakoneilla. Hiomakoneen resurssit saatiin paremmin käyttöön kuormittamalla konetta ohjelmoidulla anturan nopeussäädöllä (ONS) kuin vakioidulla anturan nopeussäädöllä (VNS). Kuitenkin hydraulipaineresurssien puutteellisuus rajoitti koeajon aikana ONS:n toimintaa. Resursseja ei optimoitu koeajon aikana, koska kiven pinnan haluttiin pysyvän mahdollisimman stabiilina. Kivelle ei suoritettu mekaanista käsittelyä, vaikka kivenpinnan massan kuljetuskapasiteetin havaittiin olevan huono. AI-järjestelmä otettiin ohjaamaan vesiteräyskäsittelyä vasta ONS - VNS -koeajon jälkeen. Mekaanisen rullateräyksen jälkeen massan ominaisuudet muuttuivat, koska kiven pinnan terävät särmät katkoivat kuituja alentaen massan sitoutumiskykyä. Heti rullakäsittelyn jälkeen mitattu CSF saattoi jopa alentua huomattavasti, mutta AI-järjestelmän laskema CSF nousi selvästi indikoiden energian ominaiskulutuksen (EOK) laskua. Muutaman päivän hionnan jälkeen mitattu ja laskettu CSF saavuttivat saman tason.