Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

Från kåk till kulturarv : en etnologisk studie av omvärderingen av historiska trästadsområden i Karleby och Ekenäs

I avhandlingen granskar jag hur två historiska trähusmiljöer, Neristan i Karleby och Gamla stan i Ekenäs, ändras till sina inre strukturer och till sin yttre karaktär under 1900-talets senare hälft. Utvecklingen har undersökts genom begreppet gentrifiering som betecknar en fysisk och socioekonomisk förändring av områdena och genom en betoning av den så kallade kulturarvsprocessen som fått områdena att framstå som kulturarv. Avhandlingen är indelad dels i en mer allmän del där den allmänna stadsutvecklingen under efterkrigstiden beskrivs, dels i en mer individanknuten del där personliga upplevelser och uppfattningar om processerna behandlas. Diskussion förs även i dialog med ett omfattande pressmaterial som ger oss en samtidsbeskrivning av den föränderliga staden. I avhandlingen betraktas gentrifierings- och kulturarvsprocesserna därmed ur olika synvinklar främst tematiskt och via olika källor men även kronologiskt från tiden efter andra världskriget till början av det nya millenniet. En av de mest synliga förändringarna har skett i trähusområdenas fysiska gestaltning då hus, gårdar och gatumiljöer har rustats upp och polerats. Det är främst invånarna som stått för den fysiska upprustningen men det har också funnits ett intresse från städernas sida i att rusta upp gatumiljöerna. Tillika har gentrifieringen påverkat städernas inre hierarkier då ett slumrande bostads- och affärsområde har blomstrat upp på nytt och stigit i rang bland städernas övriga delar. En ny typ av affärskultur, som med gentrifieringen har etablerats på områdena, har tillfört en ny slags kommersiell och utseendemässig karaktär än den områdena traditionellt har haft. Upprustningsverksamheten och den mera lyxbetonade kommersiella verksamheten har ytterligare förstärkt kulturarvsprocessen. Speciellt påfallande har den kommersiella gentrifieringen varit i Neristan men trenden kan ses i de båda städerna. För att en gentrifiering kan bekräftas har det varit viktigt att påvisa att det också har skett förändringar i de inre, mera osynliga strukturerna. Ett intervjumaterial som består av 21 intervjuer ger undersökningen lokalt förankrade, konkreta och på erfarenhet baserade perspektiv på stadsomvandlingsprocesserna. Mina informanter beskriver, reflekterar över och tar ställning till förändringarna i trästäderna ur en socialt mänsklig aspekt och utgående från en nutida synvinkel. Informanterna har även visat sig spela olika roller i processerna vilket syns i deras olika sätt att bruka och ta ansvar för de historiska trästadsområdena. De individuella synpunkterna ses i relation till befolkningsuppgifter som ger belägg för en social förändringsprocess. Förutom en gentrifiering av områdena har jag också analyserat hur Neristan och Gamla Ekenäs har berörts av en annan process som jag kallat för en kulturarvsprocess. Kulturarvsprocessen syftar liksom gentrifieringen på en värde- och attitydförändring som har försett historiska trästadsmiljöer med en ytterligare betydelse som kulturarv. Från att man under de första årtiondena efter kriget ville ersätta den gamla stadsbebyggelsen med nytt och modernt byggnadsbestånd vill man numera förvalta trästadsmiljöer på ett annat sätt. I avhandlingen diskuterar jag hur den historiska trästaden uppfattas, tilldelas mening och utnyttjas som ett ansvar och som en resurs i ett nutida och framtida perspektiv. Trästädernas kulturarvsprocess ses i avhandlingen som en valprocess där historiska trästadsområden småningom har valts ut som viktiga bevarandeobjekt. Att Neristan och Gamla Ekenäs har utgjort sådana objekt för en medveten bevarandepolitik kan bekräftas. Skiftningen från att den gamla bebyggelsen i städerna tidigare hotades av rivning, ofta utan vedertagna orsaker, till att gamla trähusmiljöer i sin helhet sedermera försetts med skyddsplan visar att inställningen till gammal byggnadskultur har förändrats. Genom att ha lyft fram rådande värderingssätt har jag belyst denna värdetransformation. Min undersökning visar att gentrifieringen av historiska trästadsområden har drivits framåt av ett lokalt intresse i vilket framför allt de nya invånarna men också myndigheter och bostadsförmedlingen har spelat en aktiv roll. Men naturligtvis skulle processen inte ha initierats utan inspiration och förebilder från annat håll. Däremot har kulturarvsprocessen påverkats starkare av internationella förebilder och av ett nationellt intresse. Processen styrs globalt av ett estetiskt tänkande genom att man via den vill ”vaska fram guldkornen” bland alla kulturhistoriskt värdefulla objekt. Kulturarvsprocessen stöds ytterligare av turismindustrin som uppmuntrar till kommersiell gentrifiering i syfte att själv kunna dra nytta av en revitalisering av det gamla. På lokalnivå används gamla trästadsmiljöer alltmer som marknadsföringsobjekt för städernas image och profilering. Min undersökning visar att kulturarvsprocessen har i de undersökta städerna framskridit i tre olika faser. Den första fasen kom igång under 1970-talet då en del statliga myndigheter och experter började visa intresse och uppskattning för historiska trästadsområden. Trähusmiljöerna i Norden lyftes fram för offentlig debatt i samband med en nordisk trästadskonferens som ordnades 1972 och i ett flertal publikationer som gavs ut. Konferensens betydelse för den gamla bebyggelsens bevarande var betydande och satte i gång en våg av nytänkande och uppskattning av gammal byggnadskultur. Kulturarvsprocessens andra fas aktualiserades under 1980-talet då även pressens roll i bevarandediskussionerna blev mer intensiv och ställningstagande. Under den andra fasen fastställdes också en ny nationell byggnadsskyddslag år 1985. En tredje fas i kulturarvsprocessen inleddes efter att den historiska trästadsdelen i Raumo blivit världsarv 1991 och efter att den nya kommersiella gentrifieringen av historiska trähusmiljöer kom i gång. Då kom också begreppet kulturarv med i diskussionen som en förstärkare av miljöernas betydelse för det lokala, nationella och internationella byggnadsarvet och för städernas egen identitet och image. Upplevelseindustrins uppblomstring och krav på synlighet har gjort trästadsmiljöer till konsumtionslandskap för nya upplevelser. Den historiska trästadsmiljön är inte längre enbart en boendemiljö utan i allt högre grad även en besöksattraktion. Den nya rollen betyder inte automatiskt ett upplivande utan i själva verket har Gamla stan i Ekenäs blivit mer stillsam som följd av gentrifieringen medan turismen har ökat som en del av kulturarvsprocessen. I Ekenäs har säsong- och sommarboende ytterligare gett en särprägel åt Gamla stan och samtidigt saktat ner utvecklingstakten på området. I Neristan har de förut livliga innerstadskvarteren bytts ut mot en välpolerad idyll. Kvartersbutikerna har försvunnit och delvis ersatts med specialaffärer. Trähusområdena har därmed fått en annan roll i den urbana miljön som inte bygger på den roll de tidigare har haft. Avhandlingens problematik har därför genomgående kretsat kring olika sätt att värdera gammal bebyggelse. Både gentrifieringen och kulturarvsprocessen har förvandlat de vardagliga boendemiljöerna i Karleby och Ekenäs från en kulturell och arkitektonisk börda till ett kulturellt kapital och deras betydelse som kulturarvsmiljöer har manifesterats fullt ut. Tillika har processerna framhävt miljöernas särprägel och ökat deras synlighet lokalt och globalt. Uppvärderingen av trähusområdena berättar om att vår uppskattning av den gamla byggnadskulturen har ökat och att vi har insett värdet i att bevara den.

Informationsbeteende och inlärningsmiljöer : en kvalitativ studie av medicine studerandes informationsbeteende i två olika utbildningsprogram

Avhandlingens övergripande syfte är att granska relationerna mellan olika undervisningsmetoder och studenters informationsbeteende, vilket i denna undersökning inbegriper även deras informationskompetens. Vikten av att undersöka dessa förhållanden kan motiveras med att både kunskap om de faktorer som påverkar utvecklandet av informationskompetens och forskning som tar fram olika mönster i studenternas informationsbeteende behövs för att sådana inlärningsmiljöer, informationssystem och -tjänster som stöder studenternas inlärning skall kunna utvecklas. I avhandlingen söks svar på följande frågor: 1. Vilka faktorer i inlärningsmiljöerna, dvs. problembaserad inlärningsmiljö (pbl) och traditionell inlärningsmiljö, påverkar informationsbeteendet och hur påverkar dessa faktorer? 2. Hurdan information behövs i inlärningsprocessen? Hur anskaffas informationen? Vilka informationskanaler och -källor används och hur används de? 3. Hur används information i samband med inlärningen? I undersökningen används en kvalitativ forskningsansats och det huvudsakliga undersökningsmaterialet består av intervjuer med 16 medicine studerande som studerar enligt en problembaserad inlärningsmetod och 15 studerande som studerar i ett traditionellt ämnesbaserat utbildningsprogram. Den empiriska delen av undersökningen utfördes i slutet av 1990-talet. Resultaten indikerar att en problembaserad inlärningsmiljö utvecklar förståelsen av kunskap, aktiverar informationsanskaffningen och informationsanvändningen, samt främjar utvecklingen av studenternas informationskompetens såsom den definierades i denna undersökning. Högre nivå av informationskompetens och aktiv informationsanvändning förekom emellertid i båda utbildningsprogrammen även bland studenter som hade påbörjat de fördjupade studiernas slutarbete, vilket framhäver motivationens och de verkliga informationsbehovens roll i informationsbeteendet och i utvecklandet av informationskompetensen.

Bibliotekarierollen i en ny utbildningsorganisation : en studie vid fyra yrkeshögskolor

Undersökningens syfte är att utreda hur bibliotekarierollen utformades vid landets svenskspråkiga yrkeshögskolor under den nya utbildningens etableringsskede samt att analysera och förklara rollutvecklingen. Yrkeshögskolorna och deras bibliotek erbjöd en dynamisk miljö för en undersökning av professionsutvecklingen under en tid av organisationsförändring och processer som berörde både utbildningen innehåll och pedagogiska form. En omgivning i förändring antogs medföra utmaningar och nya möjligheter att utnyttja yrkeskunnandet. Tidigare professionsforskning tydde på att yrkesrollen kunde omförhandlas i en ny arbetssituation. Under yrkeshögskolornas etableringsfas lyckades bibliotekarierna med detta endast i begränsad utsträckning. Organisationen var i allmänhet inte färdig att ta till vara kunnandet och bland bibliotekarierna fanns ibland en osäkerhet i fråga om tilltron till den egna förmågan i synnerhet beträffande kunskaper i undervisningsämnena. Det fanns också en rädsla för att gå in på lärarens domän. Yrkeshögskolebibliotekarierna ville utveckla studerandes informationsfärdigheter och bygga upp deras informationskompetens, vilket överensstämde med utbildningens allmänna mål även om dessa termer inte förekom i målbeskrivningarna. Exempel fanns redan på goda praktiker och förslag till utveckling av undervisningssamarbetet ges. Slutsatserna baserar sig på en intervjuundersökning från år 2001. Materialet samlades in under 40 seminstrukturerade intervjuer med bibliotekarierna (och i några fall biblioteksfunktionärer), representanter för ledningen och för lärare från lika utbildningsområden vid de aktuella yrkeshögskolorna, Arcada – Nylands svenska yrkeshögskola, Svenska Yrkeshögskolan, Yrkeshögskolan Sydväst och den dåvarande temporära Ålands Yrkeshögskola. Intervjuerna ger detaljerad information om hur bibliotekarierna själva och övriga aktörer såg på biblioteket samt på bibliotekariens arbete och yrkesroll och den utveckling som ägde rum. Bibliotekariernas etablering vid de fyra yrkeshögskolorna uppvisar en gemensam profil. Andra aktörer uppfattade till en början bibliotekariens roll rent teknisk. Sedan framträdde servicefunktionen tydligare i takt med att det uppstod efterfrågan på bibliotekstjänster. Fortfarande uppfattades biblioteks- och informationstjänsterna av omgivningen främst som en stödfunktion till undervisningen. Digitaliseringen av information har lett till att kunskaper om lokala och globala informationsresurser behövs. Också bibliotekarierna vid yrkeshögskolorna ville bli erkända som specialister på att hantera information. Undersökningen tyder på att åtminstone en del andra aktörer uppfattade att en sådan rollutveckling skedde, bl.a. när bibliotekarierna förekom lärarnas informationsbehov. Som informationsspecialist har bibliotekarien också en pedagogisk uppgift, som tydligast förverkligas i en aktiv handledar och instruktörsroll. Den rollen förverkligades emellertid endast i begränsad utsträckning, eftersom den förutsätter integration i ämnesundervisningen, vilket organisationen som helhet inte stödde. Bibliotekariernas egen uppfattning om sin yrkesroll skiljde sig från övriga aktörers. Dessa hade ofta en vag uppfattning om dagens informationsutbildning. Yrkeshögskolebibliotekariernas branschsamarbete och de personliga ambitionerna var viktiga drivkrafter till den rollutveckling som ägde rum.

NADPH-Dependent Thioredoxin System In Regulation of Chloroplast Functions

Photosynthesis, the process in which carbon dioxide is converted into sugars using the energy of sunlight, is vital for heterotrophic life on Earth. In plants, photosynthesis takes place in specific organelles called chloroplasts. During chloroplast biogenesis, light is a prerequisite for the development of functional photosynthetic structures. In addition to photosynthesis, a number of other metabolic processes such as nitrogen assimilation, the biosynthesis of fatty acids, amino acids, vitamins, and hormones are localized to plant chloroplasts. The biosynthetic pathways in chloroplasts are tightly regulated, and especially the reduction/oxidation (redox) signals play important roles in controlling many developmental and metabolic processes in chloroplasts. Thioredoxins are universal regulatory proteins that mediate redox signals in chloroplasts. They are able to modify the structure and function of their target proteins by reduction of disulfide bonds. Oxidized thioredoxins are restored via the action of thioredoxin reductases. Two thioredoxin reductase systems exist in plant chloroplasts, the NADPHdependent thioredoxin reductase C (NTRC) and ferredoxin-thioredoxin reductase (FTR). The ferredoxin-thioredoxin system that is linked to photosynthetic light reactions is involved in light-activation of chloroplast proteins. NADPH can be produced via both the photosynthetic electron transfer reactions in light, and in darkness via the pentose phosphate pathway. These different pathways of NADPH production enable the regulation of diverse metabolic pathways in chloroplasts by the NADPH-dependent thioredoxin system. In this thesis, the role of NADPH-dependent thioredoxin system in the redox-control of chloroplast development and metabolism was studied by characterization of Arabidopsis thaliana T-DNA insertion lines of NTRC gene (ntrc) and by identification of chloroplast proteins regulated by NTRC. The ntrc plants showed the strongest visible phenotypes when grown under short 8-h photoperiod. This indicates that i) chloroplast NADPH-dependent thioredoxin system is non-redundant to ferredoxinthioredoxin system and that ii) NTRC particularly controls the chloroplast processes that are easily imbalanced in daily light/dark rhythms with short day and long night. I identified four processes and the redox-regulated proteins therein that are potentially regulated by NTRC; i) chloroplast development, ii) starch biosynthesis, iii) aromatic amino acid biosynthesis and iv) detoxification of H₂O₂. Such regulation can be achieved directly by modulating the redox state of intramolecular or intermolecular disulfide bridges of enzymes, or by protecting enzymes from oxidation in conjunction with 2-cysteine peroxiredoxins. This thesis work also demonstrated that the enzymatic antioxidant systems in chloroplasts, ascorbate peroxidases, superoxide dismutase and NTRC-dependent 2-cysteine peroxiredoxins are tightly linked up to prevent the detrimental accumulation of reactive oxygen species in plants.

Recovery and refining of manganese as by-product from hydrometallurgical processes

The consumption of manganese is increasing, but huge amounts of manganese still end up in waste in hydrometallurgical processes. The recovery of manganese from multi-metal solutions at low concentrations may not be economical. In addition, poor iron control typically prevents the production of high purity manganese. Separation of iron from manganese can be done with chemical precipitation or solvent extraction methods. Combined carbonate precipitation with air oxidation is a feasible method to separate iron and manganese due to the fast kinetics, good controllability and economical reagents. In addition the leaching of manganese carbonate is easier and less acid consuming than that of hydroxide or sulfide precipitates. Selective iron removal with great efficiency from MnSO4 solution is achieved by combined oxygen or air oxidation and CaCO3 precipitation at pH > 5.8 and at a redox potential of > 200 mV. In order to avoid gypsum formation, soda ash should be used instead of limestone. In such case, however, extra attention needs to be paid on the reagents mole ratios in order to avoid manganese coprecipitation. After iron removal, pure MnSO4 solution was obtained by solvent extraction using organophosphorus reagents, di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) and bis(2,4,4- trimethylpentyl)phosphinic acid (CYANEX 272). The Mn/Ca and Mn/Mg selectivities can be increased by decreasing the temperature from the commonly used temperatures (40 –60oC) to 5oC. The extraction order of D2EHPA (Ca before Mn) at low temperature remains unchanged but the lowering of temperature causes an increase in viscosity and slower phase separation. Of these regents, CYANEX 272 is selective for Mn over Ca and, therefore, it would be the better choice if there is Ca present in solution. A three-stage Mn extraction followed by a two-stage scrubbing and two-stage sulfuric acid stripping is an effective method of producing a very pure MnSO4 intermediate solution for further processing. From the intermediate MnSO4 some special Mn- products for ion exchange applications were synthesized and studied. Three types of octahedrally coordinated manganese oxide materials as an alternative final product for manganese were chosen for synthesis: layer structured Nabirnessite, tunnel structured Mg-todorokite and K-kryptomelane. As an alternative source of pure MnSO4 intermediate, kryptomelane was synthesized by using a synthetic hydrometallurgical tailings. The results show that the studied OMS materials adsorb selectively Cu, Ni, Cd and K in the presence of Ca and Mg. It was also found that the exchange rates were reasonably high due to the small particle dimensions. Materials are stable in the studied conditions and their maximum Cu uptake capacity was 1.3 mmol/g. Competitive uptake of metals and acid was studied using equilibrium, batch kinetic and fixed-bed measurements. The experimental data was correlated with a dynamic model, which also accounts for the dissolution of the framework manganese. Manganese oxide micro-crystals were also bound onto silica to prepare a composite material having a particle size large enough to be used in column separation experiments. The MnOx/SiO2 ratio was found to affect significantly the properties of the composite. The higher the ratio, the lower is the specific surface area, the pore volume and the pore size. On the other hand, higher amount of silica binder gives composites better mechanical properties. Birnesite and todorokite can be aggregated successfully with colloidal silica at pH 4 and with MnO2/SiO2 weight ratio of 0.7. The best gelation and drying temperature was 110oC and sufficiently strong composites were obtained by additional heat-treatment at 250oC for 2 h. The results show that silica–supported MnO2 materials can be utilized to separate copper from nickel and cadmium. The behavior of the composites can be explained reasonably well with the presented model and the parameters estimated from the data of the unsupported oxides. The metal uptake capacities of the prepared materials were quite small. For example, the final copper loading was 0.14 mmol/gMnO2. According to the results the special MnO2 materials are potential for a specific environmental application to uptake harmful metal ions.

High-Throughput Screening for Novel Prostate Cancer Drug Targets –Getting Personal

Prostate cancers form a heterogeneous group of diseases and there is a need for novel biomarkers, and for more efficient and targeted methods of treatment. In this thesis, the potential of microarray data, RNA interference (RNAi) and compound screens were utilized in order to identify novel biomarkers, drug targets and drugs for future personalized prostate cancer therapeutics. First, a bioinformatic mRNA expression analysis covering 9873 human tissue and cell samples, including 349 prostate cancer and 147 normal prostate samples, was used to distinguish in silico prevalidated putative prostate cancer biomarkers and drug targets. Second, RNAi based high-throughput (HT) functional profiling of 295 prostate and prostate cancer tissue specific genes was performed in cultured prostate cancer cells. Third, a HT compound screen approach using a library of 4910 drugs and drug-like molecules was exploited to identify potential drugs inhibiting prostate cancer cell growth. Nine candidate drug targets, with biomarker potential, and one cancer selective compound were validated in vitro and in vivo. In addition to androgen receptor (AR) signaling, endoplasmic reticulum (ER) function, arachidonic acid (AA) pathway, redox homeostasis and mitosis were identified as vital processes in prostate cancer cells. ERG oncogene positive cancer cells exhibited sensitivity to induction of oxidative and ER stress, whereas advanced and castrate-resistant prostate cancer (CRPC) could be potentially targeted through AR signaling and mitosis. In conclusion, this thesis illustrates the power of systems biological data analysis in the discovery of potential vulnerabilities present in prostate cancer cells, as well as novel options for personalized cancer management.

DPS-Like Peroxide Resistance Protein: Structural and Functional Studies on a Versatile Nanocontainer

Oxidative stress is a constant threat to almost all organisms. It damages a number of biomolecules and leads to the disruption of many crucial cellular functions. It is caused by reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O₂), superoxide (•O₂ -), and hydroxyl radical (•OH). The most harmful of these compounds is •OH, which is only formed in cells in the presence of redox-cycling transition metals, such as iron and copper. Bacteria have developed a number of mechanisms to cope with ROS. One of the most widespread means employed by bacteria is the DNA-binding proteins from starved cells (Dps). Dps proteins protect the cells by binding and oxidizing Fe2+, thus greatly reducing the production of •OH. The oxidized iron is stored inside the protein as an iron core. In addition, Dps proteins bind directly to DNA forming a protective coating that shields DNA from harmful agents. Moreover, Dps proteins have been found to elicit other protective functions in cells and to participate in bacterial virulence. Dps proteins are of special importance to Streptococci owing to the lack of catalase in this genus of bacteria.This study was focused on structural and functional characterization of streptococcal Dpslike peroxide resistance (Dpr) proteins. Initially, crystal structures of Streptococcus pyogenes Dpr were determined. The data confirmed the presence of a di-metal ferroxidase center (FOC) in Dpr proteins and revealed the presence of a novel N-terminal helix as well as a surface metal-binding site. The crystal structures of Streptococcus suis Dpr complexed with transition metals demonstrated the metal specificity of the FOC. Solution binding studies also indicated the presence of a di-metal FOC. These results suggested a possible role for Dpr in the detoxification of various metals. Iron was found to mineralize inside the protein as ferrihydrite based on X-ray absorption spectroscopy data. The iron core was found to exhibit clear superparamagnetic behaviour using magnetic and Mössbauer measurements. The results from this study are expected to further increase our understanding on the binding, oxidation, and mineralization of iron and other metals in Dpr proteins. In particular, the structural and magnetic properties of the iron core can form a basis for potential new applications in nanotechnology. From the streptococcal viewpoint, the results would help in understanding better the complicated picture of bacterial pathogenesis. Dpr proteins may also provide a novel target for drug design due to their tight involvement in bacterial virulence.

Application of electrokinetic Fenton process for the remediation of soil contaminated with HCB

Electrokinetic remediation coupled with Fenton oxidation, widely called as Electrokinetic Fenton process is a potential soil remediation technique used for low permeable soil. The applicability of the process has been proved with soil contaminated with a wide range of organic compounds from phenol to the most recalcitrant ones such as PAHs and POPs. This thesis summarizes the major findings observed during an Electrokinetic Fenton Process study conducted for the remediation of low permeable soil contaminated with HCB, a typical hydrophobic organic contaminant. Model low permeable soil, kaolin, was artificially contaminated with HCB and subjected to Electrokinetic Fenton treatments in a series of laboratory scale batch experiments. The use of cyclodextrins as an enhancement agent to mobilize the sorbed contaminant through the system was investigated. Major process hindrances such as the oxidant availability and treatment duration were also addressed. The HCB degradation along with other parameters like soil pH, redox and cumulative catholyte flow were analyzed and monitored. The results of the experiments strengthen the existing knowledge on electrokinetic Fenton process as a promising technology for the treatment of soil contaminated with hydrophobic organic compounds. It has been demonstrated that HCB sorbed to kaolin can be degraded by the use of high concentrations of hydrogen peroxide during such processes. The overall system performances were observed to be influenced by the point and mode of oxidant delivery. Furthermore, the study contributes to new knowledge in shortening the treatment duration by adopting an electrode polarity reversal during the process.

Testate amoebae (thecamoebians) as indicators of aquatic mine impact

The environmental impacts of a single mine often remain local, but acidic and metal-rich acid mine drainage (AMD) from the waste materials may pose a serious threat to adjacent surface waters and their ecosystems. Testate amoebae (thecamoebian) analysis was used together with lake sediment geochemistry to study and evaluate the ecological effects of sulphidic metal mines on aquatic environments. Three different mines were included in the study: Luikonlahti Cu-mine in Kaavi, eastern Finland, Haveri Cu-Au mine in Ylöjärvi, southern Finland and Pyhäsalmi Zn-Cu-S mine in Pyhäjärvi, central Finland. Luikonlahti and Haveri are closed mines, but Pyhäsalmi is still operating. The sampling strategy was case specific, and planned to provide a representative sediment sample series to define natural background conditions, to detect spatial and temporal variations in mine impacts, to evaluate the possible recovery after the peak contamination, and to distinguish the effects of other environmental factors from the mining impacts. In the Haveri case, diatom analyses were performed alongside thecamoebian analysis to evaluate the similarities and differences between the two proxies. The results of the analyses were investigated with multivariate methods (direct and indirect ordinations, diversity and distance measure indices). Finally, the results of each case study were harmonized, pooled, and jointly analyzed to summarize the results for this dissertation. Geochemical results showed broadly similar temporal patterns in each case. Concentrations of ions in the pre-disturbance samples defined the natural baseline against which other results were compared. The beginning of the mining activities had only minor impacts on sediment geochemistry, mainly appearing as an increased clastic input into the lakes at Haveri and Pyhäsalmi. The active mining phase was followed by the metallic contamination and, subsequently, by the most recent change towards decreased but still elevated metal concentrations in the sediments. Because of the delay in the oxidation of waste material and formation of AMD, the most intense, but transient metal contamination phase occurred in the post-mining period at Luikonlahti and Haveri. At Pyhäsalmi, the highest metal contamination preceded effluent mitigation actions. Spatial gradients were observed besides the temporal evolution in both the pre-disturbance and mine-impacted samples from Luikonlahti and Pyhäsalmi. The geochemical gradients varied with distance from the main source of contaminants (dispersion and dilution) and with water depth (redox and pH). The spatial extent of the highest metal contamination associated with these mines remained rather limited. At Haveri, the metallic impact was widespread, with the upstream site in another lake basin found to be contaminated. Changes in thecamoebian assemblages corresponded well with the geochemical results. Despite some differences, the general features and ecological responses of the faunal assemblages were rather similar in each lake. Constantly abundant strains of Difflugia oblonga, Difflugia protaeiformis and centropyxids formed the core of these assemblages. Increasing proportions of Cucurbitella tricuspis towards the surface samples were found in all of the cases. The results affirmed the indicator value of some already known indicator forms, but such as C. tricuspis and higher nutrient levels, but also elicited possible new ones such as D. oblonga ‘spinosa’ and clayey substrate, high conductivity and/or alkalinity, D. protaeiformis ‘multicornis’ and pH, water hardness and the amount of clastic material and Centropyxis constricta ‘aerophila’ and high metal and S concentrations. In each case, eutrophication appeared to be the most important environmental factor, masking the effects of other variables. Faunal responses to high metal inputs in sediments remained minor, but were nevertheless detectable. Besides the trophic state of the lake, numerical methods suggested overall geochemical conditions (pH, redox) to be the most important factor at Luikonlahti, whereas the Haveri results showed the clearest connection between metals and amoebae. At Pyhäsalmi, the strongest relationships were found between Ca- and S-rich present loading, redox conditions and substrate composition. Sediment geochemistry and testate amoeba analysis proved to be a suitable combination of methods to detect and describe the aquatic mine impacts in each specific case, to evaluate recovery and to differentiate between the effects of different anthropogenic and natural environmental factors. It was also suggested that aquatic mine impacts can be significantly mitigated by careful design and after-care of the waste facilities, especially by reducing and preventing AMD. The case-specific approach is nevertheless necessary because of the unique characteristics of each mine and variations in the environmental background conditions.

Biolietteen kuiva-ainepitoisuuden parantaminen elektro-kuivauksen avulla

Tässä työssä tutkittiin sähkön käyttömahdollisuuksia metsäteollisuuden jäteveden-puhdistamolla syntyvän biolietteen kuivauksessa. Lisäksi selvityksen kohteena olivat lietteen sähkökuivaukseen vaikuttavat tekijät. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin lietteiden syntyyn jätevedenpuhdistamolla sekä lietteiden ominaisuuksiin. Työssä tutustuttiin myös lietteiden käsittelyyn ja siinä käytettäviin tekniikoihin. Ennen työn kokeellista osaa esiteltiin sähkökuivauksen periaate sekä sähkökuivaukselle aiemmin tehtyjä tutkimuksia ja niistä saatuja kokemuksia. Myös tuotteistetut elektrokuivauksen sovellukset olivat osa työtä. Kokeellisessa osassa keskityttiin varsinaisiin sähkökuivauskokeisiin. Tutkimukset suoritettiin suodatuskokein, jotka toteutettiin imuun perustuvalla Büchner-suodattimella sekä painesuodattimella. Kokeissa tutkittiin tasavirran, virran pulssituksen ja vaihtovirran vaikutusta metsäteollisuuden primääri- ja biolietteeseen. Tasavirtatutkimuksissa sähkövirtaa johdettiin lietteeseen suodatuksen aikana, kun taas vaihtovirtaa testattaessa liete käsiteltiin ensin sähköllä ja suodatettiin erikseen. Suodatuskokeiden lisäksi tutkimuksissa tarkkailtiin lietteiden kuiva-ainepitoisuuksia, redox-potentiaalia, lämpötilaa, pH:ta ja sähkönjohtokykyä. Lietteitä tutkittiin myös tuhkapitoisuuden suhteen sekä suoritettiin solututkimuksia fluoresenssilukijan avulla. Työn laboratoriotutkimukset osoittivat sähkön vaikuttavan selkeästi biolietteen ve-denerotuskykyyn: sähkö nopeutti lietteen suodatusta parhaimmillaan yli 70 %. Säh-kökuivauksella lietteen kuiva-ainepitoisuudet pysyivät samoina, mutta suodatus nopeutui ja suodatusajat jopa puolittuivat. Myös lietteen sähkönjohtokyky kasvoi sähkökäsittelyn aikana, mikä viittasi veden vapautumiseen solujen sisältä. Lietteen kunto ja ominaisuudet, polymeeri, sekoitus sekä sähkökäsittelyn parametrit olivat tärkeässä asemassa sähkökuivauksen onnistumisen kannalta.

Do blood components affect the production of reactive oxygen species (ROS) by equine synovial cells in vitro?

Blood-derived products are commonly administered to horses and humans to treat many musculoskeletal diseases, due to their potential antioxidant and anti-inflammatory effects. Nevertheless, antioxidant effects have never been shown upon horse synovial fluid cells in vitro. If proved, this could give a new perspective to justify the clinical application of blood-derived products. The aim of the present study was to investigate the antioxidant effects of two blood-derived products - plasma (unconditioned blood product - UBP) and a commercial blood preparation (conditioned blood product - CBP)¹ - upon stimulated equine synovial fluid cells. Healthy tarsocrural joints (60) were tapped to obtain synovial fluid cells; these cells were pooled, processed, stimulated with lipopolysaccharide (LPS) or phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA), and evaluated by flow cytometry for the production of reactive oxygen species (ROS). Upon addition of any blood-derived product here used - UBP and CBP - there was a significant decrease in the oxidative burst of synovial fluid cells (P<0.05). There was no difference between UBP and CBP effects. In conclusion, treatment of stimulated equine synovial cells with either UBP or CBP efficiently restored their redox equilibrium.

Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Regulation of photosynthetic electron transfer in plant chloroplasts

This thesis focuses on the molecular mechanisms regulating the photosynthetic electron transfer reactions upon changes in light intensity. To investigate these mechanisms, I used mutants of the model plant Arabidopsis thaliana impaired in various aspects of regulation of the photosynthetic light reactions. These included mutants of photosystem II (PSII) and light harvesting complex II (LHCII) phosphorylation (stn7 and stn8), mutants of energy-dependent non-photochemical quenching (NPQ) (npq1 and npq4) and of regulation of photosynthetic electron transfer (pgr5). All of these processes have been extensively investigated during the past decades, mainly on plants growing under steady-state conditions, and therefore many aspects of acclimation processes may have been neglected. In this study, plants were grown under fluctuating light, i.e. the alternation of low and high intensities of light, in order to maximally challenge the photosynthetic regulatory mechanisms. In pgr5 and stn7 mutants, the growth in fluctuating light condition mainly damaged PSI while PSII was rather unaffected. It is shown that the PGR5 protein regulates the linear electron transfer: it is essential for the induction of transthylakoid ΔpH that, in turn, activates energy-dependent NPQ and downregulates the activity of cytochrome b6f. This regulation was shown to be essential for the photoprotection of PSI under fluctuations in light intensity. The stn7 mutants were able to acclimate under constant growth light conditions by modulating the PSII/PSI ratio, while under fluctuating growth light they failed in implementing this acclimation strategy. LHCII phosphorylation ensures the balance of the excitation energy distribution between PSII and PSI by increasing the probability for excitons to be trapped by PSI. LHCII can be phosphorylated over all of the thylakoid membrane (grana cores as well as stroma lamellae) and when phosphorylated it constitutes a common antenna for PSII and PSI. Moreover, LHCII was shown to work as a functional bridge that allows the energy transfer between PSII units in grana cores and between PSII and PSI centers in grana margins. Consequently, PSI can function as a quencher of excitation energy. Eventually, the LHCII phosphorylation, NPQ and the photosynthetic control of linear electron transfer via cytochrome b6f work in concert to maintain the redox poise of the electron transfer chain. This is a prerequisite for successful plant growth upon changing natural light conditions, both in short- and long-term.

Synthesis, characterization and chemical sensor application of conducting polymers

Polymeric materials that conduct electricity are highly interesting for fundamental studies and beneficial for modern applications in e.g. solar cells, organic field effect transistors (OFETs) as well as in chemical and bio‐sensing. Therefore, it is important to characterize this class of materials with a wide variety of methods. This work summarizes the use of electrochemistry also in combination with spectroscopic methods in synthesis and characterization of electrically conducting polymers and other π‐conjugated systems. The materials studied in this work are intended for organic electronic devices and chemical sensors. Additionally, an important part of the presented work, concerns rational approaches to the development of water‐based inks containing conducting particles. Electrochemical synthesis and electroactivity of conducting polymers can be greatly enhanced in room temperature ionic liquids (RTILs) in comparison to conventional electrolytes. Therefore, poly(para‐phyenylene) (PPP) was electrochemically synthesized in the two representative RTILs: bmimPF6 and bmiTf2N (imidazolium and pyrrolidinium‐based salts, respectively). It was found that the electrochemical synthesis of PPP was significantly enhanced in bmimPF6. Additionally, the results from doping studies of PPP films indicate improved electroactivity in bmimPF6 during oxidation (p‐doping) and in bmiTf2N in the case of reduction (n‐doping). These findings were supported by in situ infrared spectroscopy studies. Conducting poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) is a material which can provide relatively high field‐effect mobility of charge carriers in OFET devices. The main disadvantage of this n‐type semiconductor is its limited processability. Therefore in this work BBL was functionalized with poly(ethylene oxide) PEO, varying the length of side chains enabling water dispersions of the studied polymer. It was found that functionalization did not distract the electrochemical activity of the BBL backbone while the processability was improved significantly in comparison to conventional BBL. Another objective was to study highly processable poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) water‐based inks for controlled patterning scaled‐down to nearly a nanodomain with the intention to fabricate various chemical sensors. Developed PEDOT:PSS inks greatly improved printing of nanoarrays and with further modification with quaternary ammonium cations enabled fabrication of PEDOT:PSS‐based chemical sensors for lead (II) ions with enhanced adhesion and stability in aqueous environments. This opens new possibilities for development of PEDOT:PSS films that can be used in bio‐related applications. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a broad group of π‐conjugated materials consisting of aromatic rings in the range from naphthalene to even hundred rings in one molecule. The research on this type of materials is intriguing, due to their interesting optical properties and resemblance of graphene. The objective was to use electrochemical synthesis to yield relatively large PAHs and fabricate electroactive films that could be used as template material in chemical sensors. Spectroscopic, electrochemical and electrical investigations evidence formation of highly stable films with fast redox response, consisting of molecules with 40 to 60 carbon atoms. Additionally, this approach in synthesis, starting from relatively small PAH molecules was successfully used in chemical sensor for lead (II).