Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Lethal weapons : novel approaches for receptor-targeted cancer cell elimination

The currently used forms of cancer therapy are associated with drug resistance and toxicity to healthy tissues. Thus, more efficient methods are needed for cancer-specific induction of growth arrest and programmed cell death, also known as apoptosis. Therapeutic forms of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) are investigated in clinical trials due to the capability of TRAIL to trigger apoptosis specifically in cancer cells by activation of cell surface death receptors. Many tumors, however, have acquired resistance to TRAIL-induced apoptosis and sensitizing drugs for combinatorial treatments are, therefore, in high demand. This study demonstrates that lignans, natural polyphenols enriched in seeds and cereal, have a remarkable sensitizing effect on TRAIL-induced cell death at non-toxic lignan concentrations. In TRAIL-resistant and androgen-dependent prostate cancer cells we observe that lignans repress receptor tyrosine kinase (RTK) activity and downregulate cell survival signaling via the Akt pathway, which leads to increased TRAIL sensitivity. A structure-activity relationship analysis reveals that the γ-butyrolactone ring of the dibenzylbutyrolactone lignans is essential for the rapidly reversible TRAIL-sensitizing activity of these compounds. Furthermore, the lignan nortrachelogenin (NTG) is identified as the most efficient of the 27 tested lignans and norlignans in sensitization of androgen-deprived prostate cancer cells to TRAIL-induced apoptosis. While this combinatorial anticancer approach may leave normal cells unharmed, several efficient cancer drugs are too toxic, insoluble or unstable to be used in systemic therapy. To enable use of such drugs and to protect normal cells from cytotoxic effects, cancer-targeted drug delivery vehicles of nanometer scale have recently been generated. The newly developed nanoparticle system that we tested in vitro for cancer cell targeting combines the efficient drug-loading capacity of mesoporous silica to the versatile particle surface functionalization of hyperbranched poly(ethylene imine), PEI. The mesoporous hybrid silica nanoparticles (MSNs) were functionalized with folic acid to promote targeted internalization by folate receptor overexpressing cancer cells. The presented results demonstrate that the developed carrier system can be employed in vitro for cancer selective delivery of adsorbed or covalently conjugated molecules and furthermore, for selective induction of apoptotic cell death in folate receptor expressing cancer cells. The tested carrier system displays potential for simultaneous delivery of several anticancer agents specifically to cancer cells also in vivo.

Role and regulatory mechanisms of heat shock factor 2

Protein homeostasis is essential for cells to prosper and survive. Various forms of stress, such as elevated temperatures, oxidative stress, heavy metals or bacterial infections cause protein damage, which might lead to improper folding and formation of toxic protein aggregates. Protein aggregation is associated with serious pathological conditions such as Alzheimer’s and Huntington’s disease. The heat shock response is a defense mechanism that protects the cell against protein-damaging stress. Its ancient origin and high conservation among eukaryotes suggest that the response is crucial for survival. The main regulator of the heat shock response is the transcription factor heat shock factor 1 (HSF1), which induces transcription of genes encoding protective molecular chaperones. In vertebrates, a family of four HSFs exists (HSF1-4), with versatile functions not only in coping with acute stress, but also in development, longevity and cancer. Thus, knowledge of the HSFs will aid in our understanding on how cells survive suboptimal circumstances, but will also provide insights into normal physiological processes as well as diseaseassociated conditions. In this study, the function and regulation of HSF2 have been investigated. Earlier gene inactivation experiments in mice have revealed roles for HSF2 in development, particularly in corticogenesis and spermatogenesis. Here, we demonstrate that HSF2 holds a role also in the heat shock response and influences stress-induced expression of heat shock proteins. Intriguingly, DNA-binding activity of HSF2 upon stress was dependent on the presence of intact HSF1, suggesting functional interplay between HSF1 and HSF2. The underlying mechanism for this phenomenon could be configuration of heterotrimers between the two factors, a possibility that was experimentally verified. By changing the levels of HSF2, the expression of HSF1-HSF2 heterotrimer target genes was altered, implementing HSF2 as a modulator of HSF-mediated transcription. The results further indicate that HSF2 activity is dependent on its concentration, which led us to ask the question of how accurate HSF2 levels are achieved. Using mouse spermatogenesis as a model system, HSF2 was found to be under direct control of miR-18, a miRNA belonging to the miR-17~92 cluster/Oncomir-1 and whose physiological function had remained unclear. Investigations on spermatogenesis are severely hampered by the lack of cell systems that would mimic the complex differentiation processes that constitute male germ cell development. Therefore, to verify that HSF2 is regulated by miR-18 in spermatogenesis, a novel method named T-GIST (Transfection of Germ cells in Intact Seminiferous Tubules) was developed. Employing this method, the functional consequences of miR-18-mediated regulation in vivo were demonstrated; inhibition of miR- 18 led to increased expression of HSF2 and altered the expression of HSF2 target genes Ssty2 and Speer4a. Consequently, the results link miR-18 to HSF2-mediated processes such as germ cell maturation and quality control and provide miR-18 with a physiological role in gene expression during spermatogenesis.Taken together, this study presents compelling evidence that HSF2 is a transcriptional regulator in the heat shock response and establishes the concept of physical interplay between HSF2 and HSF1 and functional consequences thereof. This is also the first study describing miRNA-mediated regulation of an HSF.

Morphometric Study of Cerebral Arterioles in CADASIL

Cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy(CADASIL) is the most common hereditary small vessel disease (SVD) leading to vascular dementia. The cause of the disease is mutations in NOTCH3 gene located at chromosome 19p13.1. The gene defect results in accumulation of granular osmiophilic material and extracellular domain of NOTCH3 at vascular smooth muscle cells (VSMCs) with subsequent degeneration of VSMCs. This arteriopathy leads to white matter (WM) rarefaction and multiple lacunar infarctions in both WM and deep grey matter (GM) visible in magnetic resonance imaging. This thesis is focused on the quantitative morphometric analysis of the stenosis and fibrosis in arterioles of the frontal cerebral WM, cortical GM and deep GM (lenticular nucleus (LN), i.e. putamen and globus pallidus). It was performed by assessing four indicators of arteriolar stenosis and fibrosis: (1) diameter of arteriolar lumen, (2) thickness of arteriolar wall, (3) external diameter of arterioles and (4) sclerotic index. These parameters were assessed (a) in 5 elderly CADASIL patients with the mean age of onset 47 years and of death 63 years, (b) in a 32-year-old young CADASIL patient with the first ischemic episode at the age of 29 years and (c) a very old CADASIL patient aged 95 years, who suffered the first stroke at the age of 71 years. These measurements were compared with age-matched controls without stroke, dementia, hypertension, and cerebral amyloid angiopathy. Morphometric analyses disclosed that in all age groups of CADASIL patients compared to corresponding controls there was significant narrowing of arteriolar lumen (stenosis) and fibrotic thickening of the walls (fibrosis) in the WM arterioles, although the significance of stenosis in the very old patient was marginal. In the LN arterioles there was only significant fibrosis without stenosis. These results suggest that the ischemic lesions and lacunar infarcts in the cerebral WM are mainly attributable to the stenosis of arterioles, whereas those in the LN are probably mainly due to hemodynamic changes of the cerebral blood flow. In conclusion: The SVD of CADASIL is characterized by narrowing of lumina and fibrotic thickening of walls predominantly in the cerebral WM arterioles. On the other hand, in the LN the ischemic lesions and lacunar infarcts are most probably hemodynamic due to impaired autoregulation caused by the rigidity of fibrotic arterioles. The pathological cerebral arteriolar alterations begin to develop already at a relatively young age but the onset may be delayed to a remarkably old age. This underlines the well known great variability in the clinical picture of CADASIL. The very late onset of CADASIL may cause its underdiagnosis, because the strokes are common in the elderly and are attributed to common risk factors.

GAMS MINLP Solver comparisons and some improvements to the AlphaECP algorithm

I doktorsavhandlingen undersöks förmågan att lösa hos ett antal lösare för optimeringsproblem och ett antal svårigheter med att göra en rättvis lösarjämförelse avslöjas. Dessutom framläggs några förbättringar som utförts på en av lösarna som heter GAMS/AlphaECP. Optimering innebär, i det här sammanhanget, att finna den bästa möjliga lösningen på ett problem. Den undersökta klassen av problem kan karaktäriseras som svårlöst och förekommer inom ett flertal industriområden. Målet har varit att undersöka om det finns en lösare som är universellt snabbare och hittar lösningar med högre kvalitet än någon av de andra lösarna. Det kommersiella optimeringssystemet GAMS (General Algebraic Modeling System) och omfattande problembibliotek har använts för att jämföra lösare. Förbättringarna som presenterats har utförts på GAMS/AlphaECP lösaren som baserar sig på skärplansmetoden Extended Cutting Plane (ECP). ECP-metoden har utvecklats främst av professor Tapio Westerlund på Anläggnings- och systemteknik vid Åbo Akademi.

Removal of cyanobacterial toxins by strains of probiotic bacteria

Nedbrytning av blågrönalgtoxiner med hälsobefrämjande mjölksyrebakterier Blomningar av cyanobakterier (blågrönalger) har blivit ett världsomfattande fenomen i eutrofierade vattenmiljöer. Cyanobakterier producerar toxiner, både levergifter och nervgifter, vilka utgör en hälsorisk för människan. Exponeringsrutter omfattar både dricksvatten och förorenade matvaror. Rening av dricksvatten från dessa toxiner är således av hög prioritet. Konventionella vatttenreningsprocesser är inte alltid tillräckligt effektiva mot cyanotoxiner. Därför behövs utveckling av nya effektiva biologiska metoder för vattenrening, vilka kunde komplettera de redan existerande metoderna. FM Sonja Nybom har i sin doktorsavhandling undersökt eliminering av cyanotoxiner från dricksvatten med hjälp av probioter. Probiotiska bakterier, såsom mjölksyrebakterier och bifidobakterier, finns i den naturliga tarmfloran och har även visats ha gynnsamma effekter för människans hälsa. I avhandlingen visades flera olika stammar av probiotiska mjölksyrebakterier och bifidobakterier effektivt eliminera cyanotoxiner, såsom levergiftiga microcystiner, från vatten. Elimineringen undersöktes under olika omständigheter och visades vara beroende av bland annat vattentemperatur, pH, celldensitet och närvaro av kolkälla (glukos) för bakterierna. Metaboliskt aktiva, levande bakterier krävdes för effektiv toxineliminering. En kombination av flera probiotstammar resulterade i effektivare nedbrytning av toxiner i jämförelse med enskilda bakteriestammar. Även reaktionstiden var av betydelse för effektiviteten; efter ett dygns inkubering åstadkoms nästan total nedbrytning. Sammanfattningsvis tyder resultaten på att metoder utnyttjande dessa hälsobefrämjande probiotiska bakterier kunde utvecklas till att användas vid rening av dricksvatten från cyanotoxiner samt användas som en personlig skyddsmekanism mot cyanotoxiner i mag-tarmkanalen.

Episodes in carbohydrate chemistry : from β-linked mannosides to glycoconjugates

Carbohydrates are one of the most abundant classes of biomolecules on earth. In the initial stages of research on carbohydrates much effort was focused on investigation and determination of the structural aspects and complex nature of individual monosaccharides. Later on, development of protective group strategies and methods for oligosaccharide synthesis became the main topics of research. Today, the methodologies developed early on are being utilized in the production of carbohydrates for biological screening events. This multidisciplinary approach has generated the new discipline of glycobiology which focuses on research related to the appearance and biological significance of carbohydrates. In more detail, studies in glycobiology have revealed the essential roles of carbohydrates in cell-cell interactions, biological recognition events, protein folding, cell growth and tumor cell metastasis. As a result of these studies, carbohydrate derived diagnostic and therapeutic agents are likely to be of growing interest in the future. In this doctoral thesis, a journey through the fundamentals of carbohydrate synthesis is presented. The research conducted on this journey was neither limited to the study of any particular phenomena nor to the addressing of a single synthetic challenge. Instead, the focus was deliberately shifted from time to time in order to broaden the scope of the thesis, to continue the learning process and to explore new areas of carbohydrate research. Throughout the work, several previously reported synthetic protocols, especially procedures related to glycosylation reactions and protective group manipulations, were evaluated, modified and utilized or rejected. The synthetic molecules targeted within this thesis were either required for biological evaluations or utilized to study phenomena occuring in larger molecules. In addition, much effort was invested in the complete structural characterization of the synthesized compounds by a combination of NMR spectroscopic techniques and spectral simulations with the PERCH-software. This thesis provides the basics of working with carbohydrate chemistry. In more detail, synthetic strategies and experimental procedures for many different reactions and guidelines for the NMR-spectroscopic characterization of oligosaccharides and glycoconjugates are provided. Therefore, the thesis should prove valuable to researchers starting their own journeys in the ever expanding field of carbohydrate chemistry.

Asiakassuhdejohtaminen kannattavuusnäkökulmasta

Tutkimuksessa selvitetään miten asiakassuhteita johdetaan asiakaskannattavuuden perusteella erilaisissa yrityksissä. Kirjallisuuskatsauksessa perehdytään laskentatoimen ja markkinoinnin kirjallisuuteen asiakaslaskentatoimen ja asiakassuhdejohtamisen osalta. Asiakaskannattavuusajattelua avataan eri asiakaslaskentatoimen menetelmien avulla. Asiakassuhdejohtamista taas käsitellään suhdemarkkinoinnin ja prosessiajattelun näkökulmasta sekä tarkastellaan kannattaviin ja kannattamattomiin asiakassuhteisiin liittyviä mahdollisuuksia, ongelmia ja menettelytapoja. Teoriaosuuden lopuksi esitetään yhteenveto, kuinka kannattavuusajattelun tulisi näkyä asiakassuhdejohtamisessa. Empiirisessä osiossa tutkitaan neljän eri yrityksen tapaa johtaa asiakassuhteitaan sekä kannattavuusajattelun näkymistä asiakassuhdejohtamisessa. Aineisto kerättiin teemahaastattelujen avulla. Kannattavuusajattelu nousee esille yritysten tavoissa johtaa asiakassuhteitaan. Kuitenkin monenlaiset rajoitukset toimialalla, markkinoilla tai yrityksen resursseissa aiheuttavat sen, ettei kannattavuusperusteinen asiakassuhteiden johtaminen ole yhtä monipuolista ja syvällistä, kuin kirjallisuudessa esitetään.

Carbonation of Mg(OH)2 in a pressurised fluidised bed for CO2 sequestration

I takt med den ekonomiska tillväxten har CO2-utsläppen till atmosfären ständigt ökat, och utan kraftiga åtgärder kommer de att fortsätta att öka i allt snabbare takt. Konsekvenserna av en påtagligt förhöjd atmosfärisk CO2-halt är fortfarande osäkra (men eventuellt katastrofala) och fenomenet går under namnet global uppvärmning eller klimatförändring. CCS från engelskans ”carbon dioxide capture and storage” framstår som ett alternativ för att bekämpa de ständigt ökande CO2-utsläppen. Ett av de mer intressanta, och för Finlands del ända CCS-alternativet, baserar sig på naturens egna sätt att begränsa atmosfärisk CO2, nämligen vittring. Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt. Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål. Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.

Sivuraiteilta uralle! : Koulutuksen keskeyttämisen ehkäisemiseen suunnatut ESR-projektit Kaakkois-Suomessa ja malleja muualta Suomesta

Tämä julkaisu on yhteenveto Kaakkois-Suomen elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskuksen valvonnassa käynnistyneistä, Euroopan sosiaalirahaston rahoittamista koulutuksen keskeyttämisen ehkäisyyn pyrkivistä projekteista vuosina 2007–2012 (tilanne 23.02.2012). Lisäksi selvitykseen on koottu vastaavissa projekteissa kehitettyjä malleja muualta Manner-Suomesta. Projekteista esitetään lyhyesti hankkeen keskeiset tiedot; hallinnoijan yhteystiedot, projektin kohdealue, tavoitteet ja tulokset. Lisäksi projekteista esitetään tarkempia esimerkkejä niissä kehitetyistä malleista ja välineistä. Tarkasteltavissa hankkeissa on pyritty ehkäisemään koulutuksen keskeyttämistä ammattioppilaitosten ja erilaisten työpajojen välisellä yhteistyöllä, erilaisilla opetusmenetelmillä, erityisopettajuudella, moniammatillisten verkostojen tuella sekä erilaisilla sähköisillä arviointivälineillä. Selvityksessä on käytetty lähteenä hankkeiden Eura2007-järjestelmään kirjattuja loppu- ja väliraportteja sekä projektisuunnitelmia ja näissä esitettyjä tietoja. Näitä tietoja täydennettiin projektien yhteyshenkilöille lähetetyllä kyselyllä ja kyselystä saaduilla vastauksilla ja materiaalilla. Lisäksi apuna käytettiin hankkeiden omia julkaisuja. Selvityksen on laatinut ELY-keskuksen korkeakouluharjoittelija, hum. kand. Teemu Räihä.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Segregation of powder mixtures in silos with particular reference to dry mineral-based construction materials

Segregering eller segregation är ett fenomen som kan förekomma inom olika områden av samhället. Inom samhällsvetenskaperna kan segregering definieras som det rumsliga åtskiljandet av befolkningsgrupper på urval av ras eller etniskt ursprung, kön, social härkomst, religion, ålder, yrke, osv. Segregering av befolkningsgrupper sker ofta mer eller mindre frivilligt och är motsatsen till integration. Inom partikelteknologi definieras segregering oftast som det rumsliga åtskiljandet av beståndsdelarna i en blandning av olika partiklar. Segregering sker då på urval av bl.a. partiklarnas storlek, densitet, form, elektrostatiska eller mekaniska egenskaper, och kan beskrivas som motsatsen till blandning. Segregeringsmekanismer används för att förklara hur och varför en partikelblandning segregerar samt vad slutresultatet i form av den rumsliga fördelningen av partiklarna blir till följd av att blandningen utsetts för en viss behandling. I denna avhandling har segregering av partikelblandningar och speciellt torra mineralbaserade byggmaterial (t.ex. murbruk) till följd av lagring i siloer studerats. Vid industriell produktion av mineralbaserade byggmaterial används siloer för korttidslagring av slutprodukterna precis innan förpackning. Segregering leder till kraftiga variationer i sammansättningen för partikelströmmen ut ur silon, vilket gör att slutprodukterna inte uppfyller kvalitetskraven och kan därmed inte säljas till kunder. Detta leder till arbetsam och dyr bearbetning (återcirkulation) av produkterna med påföljder för produktionsekonomin samt hållbara utvecklingen. I avhandlingen identifierades de väsentligaste segregeringsmekanismerna för torra mineralbaserade byggmaterial i siloer. Dessutom klargjordes effekterna av materialegenskaper, processbetingelser och siloparametrar. Slutligen behandlas möjliga åtgärder för minskning av partikelsegregering i siloer samt tillämpning av matematiska metoder för simulering av partikelflöden med hjälp av datorer.

Hydrogenation of L-arabinose, D-galactose, D-maltose and L-rhamnose

Under de senaste åren har intresset för utnyttjandet av förnybara resurser kraftigt ökat. I samband med detta utgör kolhydrater en viktig del av den tillgängliga förnybara biomassan och den har därefter blivit föremål för ett stort intresse inom hållbar kemi. Sockeralkoholer är en särskilt viktig grupp av molekyler som vanligtvis erhålls ur kolhydrater och som har mångsidiga tillämpningar som t.ex. lågkalorihaltiga sötningsmedel. Forskningen i doktorsarbetet omfattar hydreringen av naturligt förekommande sockerarter L-arabinos, D-galaktos, D-maltos och L-ramnos till respektive sockeralkoholer. Dessa sockeralkoholer kan användas bl.a. som hälsosamma sötningsmedel på samma sätt som xylitol. Grunden för detta arbete består av hydreringsexperiment som utfördes på en dispergerad ruteniumkatalysator i syfte att studera bildningskinetiken av de motsvarande sockeralkoholerna. Reaktionerna genomfördes vid temperaturer mellan 90 och 130 °C och vätetryck mellan 40 och 60 bar. Under dessa betingelser var det möjligt att åstadkomma sockeromvandlingar upp till 100 %. Reaktionshastigheterna modellerades matematiskt. Konkurrerande kinetiska modeller som baserades på Langmuir-Hinshelwood-konceptet föreslogs för att beskriva reaktionerna. Parametrar i hastighetsekvationerna bestämdes därefter genom icke-linjär regression. Dessa modeller kunde väl förutsäga hydreringsreaktionernas förlopp och de kan följaktligen användas för design av industriella anläggningar. Ytterligare hydreringsexperiment med sockerblandningar genomfördes för att fördjupa kunskaper i kinetik och reaktionsmekanismer av sockerhydreringen. Studierna genomfördes med syntetiska sockerblandningar av L-arabinos och D-galaktos (de viktigaste komponenterna i hemicellulosan arabinogalaktan). Fullständig omsättning uppnåddes med utmärkta selektiviteter som överskred 95 % och dessutom inverkade varken temperatur eller vätetryck på reaktionens förlopp på något oväntat sätt. Antagandet av konkurrerande adsorption för en samtidig reduktion av båda sockermolekylerna gav en kinetisk modell som noggrant beskrev de experimentella resultaten. Idén om att utforska potentiella sätt att påskynda bildningen av sockeralkoholer ledde till utföringen av hydreringsexperiment med L-arabinos och D-galaktos i närvaro av ultraljud. Det visade sig att ultraljudets inverkan var oberoende av sockerhalten och vätetrycket och att bestrålningen gynnade hydreringen av D-galaktos trots att den inte förhindrade Ru/C-katalysatorns deaktivering överhuvudtaget. En kinetisk modell som beaktade deaktiveringen utvecklades. Kontinuerlig hydrering av L-arabinos genomfördes med tre olika Ru-katalysatorer på tre olika bärare: tyg av aktivt kol, kolnanorör på svampliknande metalliska strukturer samt krossade partiklar av en kommersiell Ru/C-katalysator. Det visade sig att det var möjligt att omvandla L-arabinos till arabitol med höga selektiviteter med hjälp av Ru/koltyg-katalysatorn. Dessa experiment demonstrerade att hydreringen av de valda sockerarterna är en helt genomförbar rutt till framställning av fin- och specialkemikalier, som kan förverkligas i större skala.