Determination of sugars and organic acids in pulp samples by capillary electrophoresis with UV detection

This MSc work was done in the project of BIOMECON financed by Tekes. The prime target of the research was, to develop methods for separation and determination of carbohydrates (sugars), sugar acids and alcohols, and some other organic acids in hydrolyzed pulp samples by capillary electrophoresis (CE) using UV detection. Aspen, spruce, and birch pulps are commonly used for production of papers in Finland. Feedstock components in pulp predominantly consist of carbohydrates, organic acids, lignin, extractives, and proteins. Here in this study, pulps have been hydrolyzed in analytical chemistry laboratories of UPM Company and Lappeenranta University in order to convert them into sugars, acids, alcohols, and organic acids. Foremost objective of this study was to quantify and identify the main and by-products in the pulp samples. For the method development and optimization, increased precision in capillary electrophoresis was accomplished by calculating calibration data of 16 analytes such as D-(-)-fructose, D(+)-xylose, D(+)-mannose, D(+)-cellobiose, D-(+)-glucose, D-(+)-raffinose, D(-)-mannitol, sorbitol, rhamnose, sucrose, xylitol, galactose, maltose, arabinose, ribose, and, α-lactose monohydratesugars and 16 organic acids such as D-glucuronic, oxalic, acetic, propionic, formic, glycolic, malonic, maleic, citric, L-glutamic, tartaric, succinic, adipic, ascorbic, galacturonic, and glyoxylic acid. In carbohydrate and polyalcohol analyses, the experiments with CE coupled to direct UV detection and positive separation polarity was performed in 36 mM disodium hydrogen phosphate electrolyte solution. For acid analyses, CE coupled indirect UV detection, using negative polarity, and electrolyte solution made of 2,3 pyridinedicarboxylic acid, Ca2+ salt, Mg2+ salts, and myristyltrimethylammonium hydroxide in water was used. Under optimized conditions, limits of detection, relative standard deviations and correlation coefficients of each compound were measured. The optimized conditions were used for the identification and quantification of carbohydrates and acids produced by hydrolyses of pulp. The concentrations of the analytes varied between 1 mg – 0.138 g in liter hydrolysate.

Quantification of Proteins and Cells: Luminometric Nonspecific Particle-Based Methods

New luminometric particle-based methods were developed to quantify protein and to count cells. The developed methods rely on the interaction of the sample with nano- or microparticles and different principles of detection. In fluorescence quenching, timeresolved luminescence resonance energy transfer (TR-LRET), and two-photon excitation fluorescence (TPX) methods, the sample prevents the adsorption of labeled protein to the particles. Depending on the system, the addition of the analyte increases or decreases the luminescence. In the dissociation method, the adsorbed protein protects the Eu(III) chelate on the surface of the particles from dissociation at a low pH. The experimental setups are user-friendly and rapid and do not require hazardous test compounds and elevated temperatures. The sensitivity of the quantification of protein (from 40 to 500 pg bovine serum albumin in a sample) was 20-500-fold better than in most sensitive commercial methods. The quenching method exhibited low protein-to-protein variability and the dissociation method insensitivity to the assay contaminants commonly found in biological samples. Less than ten eukaryotic cells were detected and quantified with all the developed methods under optimized assay conditions. Furthermore, two applications, the method for detection of the aggregation of protein and the cell viability test, were developed by utilizing the TR-LRET method. The detection of the aggregation of protein was allowed at a more than 10,000 times lower concentration, 30 μg/L, compared to the known methods of UV240 absorbance and dynamic light scattering. The TR-LRET method was combined with a nucleic acid assay with cell-impermeable dye to measure the percentage of dead cells in a single tube test with cell counts below 1000 cells/tube.

Hankintaprosessin optimaalinen toteutus: Case Medi-IT Oy

Tutkielman tavoitteena on löytää hankintaprosessin optimaalinen toteutustapa tutkimuksen kohdeyritykselle. Tutkielmassa kuvataan kohdeyrityksen hankintaprosessin kulku nykyisellään ja annetaan kehitysehdotuksia. Tutkielmassa pohditaan sitä, mitä osia kohdeyrityksen tulisi hankintaprosessissa suorittaa itse, ja mitä osia puolestaan tulisi ulkoistaa palveluntarjoajille. Tutkielmassa tutkitaan myös ICT-hankintoihin liittyviä erityispiirteitä ja haasteita. Lisäksi tutkielmassa käydään läpi toimittajien vertailussa käytettäviä kriteerejä. Myös hankintalain vaikutusta kohdeyrityksen toimintaan tarkastellaan lyhyesti. Tutkimuksen teoreettinen viitekehys koostuu neljästä teoria-alueesta, jotka ovat: ulkoistaminen, toimittajien luokittelu, toimittajien arviointi ja julkiset hankinnat. Teorian ja empirian välisen vuoropuhelun avulla esitetään ehdotus hankintaprosessin optimaaliseksi toteutustavaksi. Muutoksia ehdotetaan erityisesti toimijoiden väliseen roolijakoon hankintaprosessissa. Työ on luonteeltaan kvalitatiivinen tapaustutkimus. Teoriaosio perustuu kirjallisuuskatsaukseen ja empiriaosio perustuu lähinnä haastatteluihin.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Miehistönkuljetusajoneuvon rungon suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella miehistönkuljetusajoneuvon runko. Rungosta suunniteltiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboiva. Rakenne toteutettiin kennora-kenteena. Suunnittelussa sovellettiin koneensuunnittelun periaatteiden lisäksi energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelun periaatteita. Myös valmistustekniset näkökohdat otet-tiin huomioon. Rakenteessa hyödynnettiin Ruukki Oy:n Ramor 500 suojausterästä sekä OPTIM 500 MC terästä. Lisäksi erilaisten täyteaineiden käyttöä tutkittiin. Suunnittelun työkaluna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää, koska energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelussa on otettava huomioon materiaalien epälineaarinen käyttäytyminen. Rakenteen suunnittelu jakaantui viiteen vaiheeseen. Aluksi rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset laskettiin elementtimenetelmän avulla. Esisuunnittelussa lasket-tiin plastisuusteorian avulla alustavasti tarvittavat materiaalipaksuudet. Tämän jälkeen ra-kenteen ydingeometria optimoitiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboivaksi. Opti-moinnissa hyödynnettiin elementtimenetelmää. Seuraavassa vaiheessa varmistettiin raken-teen globaalit ominaisuudet. Lopuksi rakenteen kestävyyttä tarkasteltiin elementtimene-telmällä. Runko ei mallien mukaan kestänyt siltä vaadittuja kuormitustapauksia. Mallin kaikki ole-tukset pidettiin varmalla puolella. Reunaehdot oletettiin todellisuutta jäykemmiksi. Myös-kään materiaalin venymänopeudesta johtuvaa lujittumista ei otettu huomioon. Koska mii-naräjähdys on monimutkainen tapahtuma, rungon todellinen kestävyys joudutaan ar-viomaan räjähdystesteillä. Elementtimallien perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että ener-giaa absorboiva ajoneuvon runko on mahdollista toteuttaa kennorakenteena. Lisäksi voi-daan todeta, että elementtimenetelmää sopii työvälineeksi tämän tyyppisten rakenteiden suunnitteluun.

Transcriptional Profiling of Organ‐Specific Autoimmunity in Human

Our understanding of the pathogenesis of organ‐specific autoinflammation has been restricted by limited access to the target organs. Peripheral blood, however, as a preferred transportation route for immune cells, provides a window to assess the entire immune system throughout the body. Transcriptional profiling with RNA stabilizing blood collection tubes reflects in vivo expression profiles at the time the blood is drawn, allowing detection of the disease activity in different samples or within the same sample over time. The main objective of this Ph.D. study was to apply gene‐expression microarrays in the characterization of peripheral blood transcriptional profiles in patients with autoimmune diseases. To achieve this goal a custom cDNA microarray targeted for gene‐expression profiling of human immune system was designed and produced. Sample collection and preparation was then optimized to allow gene‐expression profiling from whole‐blood samples. To overcome challenges resulting from minute amounts of sample material, RNA amplification was successfully applied to study pregnancy related immunosuppression in patients with multiple sclerosis (MS). Furthermore, similar sample preparation was applied to characterize longitudinal genome‐wide expression profiles in children with type 1 diabetes (T1D) associated autoantibodies and eventually clinical T1D. Blood transcriptome analyses, using both the ImmunoChip cDNA microarray with targeted probe selection and genome‐wide Affymetrix U133 Plus 2.0 oligonucleotide array, enabled monitoring of autoimmune activity. Novel disease related genes and general autoimmune signatures were identified. Notably, down‐regulation of the HLA class Ib molecules in peripheral blood was associated with disease activity in both MS and T1D. Taken together, these studies demonstrate the potential of peripheral blood transcriptional profiling in biomedical research and diagnostics. Imbalances in peripheral blood transcriptional activity may reveal dynamic changes that are relevant for the disease but might be completely missed in conventional cross‐sectional studies.

Bayesian methods for estimation, optimization and experimental design

Mathematical models often contain parameters that need to be calibrated from measured data. The emergence of efficient Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods has made the Bayesian approach a standard tool in quantifying the uncertainty in the parameters. With MCMC, the parameter estimation problem can be solved in a fully statistical manner, and the whole distribution of the parameters can be explored, instead of obtaining point estimates and using, e.g., Gaussian approximations. In this thesis, MCMC methods are applied to parameter estimation problems in chemical reaction engineering, population ecology, and climate modeling. Motivated by the climate model experiments, the methods are developed further to make them more suitable for problems where the model is computationally intensive. After the parameters are estimated, one can start to use the model for various tasks. Two such tasks are studied in this thesis: optimal design of experiments, where the task is to design the next measurements so that the parameter uncertainty is minimized, and model-based optimization, where a model-based quantity, such as the product yield in a chemical reaction model, is optimized. In this thesis, novel ways to perform these tasks are developed, based on the output of MCMC parameter estimation. A separate topic is dynamical state estimation, where the task is to estimate the dynamically changing model state, instead of static parameters. For example, in numerical weather prediction, an estimate of the state of the atmosphere must constantly be updated based on the recently obtained measurements. In this thesis, a novel hybrid state estimation method is developed, which combines elements from deterministic and random sampling methods.

Sewage Sludge Electro-Dewatering

Original sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) usually has a poor dewaterability. Conventionally, mechanical dewatering methods are used to increase the dry solids (DS) content of the sludge. However, sludge dewatering is an important economic factor in the operation of WWTPs, high water content in the final sludge cake is commonly related to an increase in transport and disposal costs. Electro‐dewatering could be a potential technique to reduce the water content of the final sludge cake, but the parameters affecting the performance of electro‐dewatering and the quality of the resulting sludge cake, as well as removed water, are not sufficiently well known. In this research, non‐pressure and pressure‐driven experiments were set up to investigate the effect of various parameters and experimental strategies on electro‐dewatering. Migration behaviour of organic compounds and metals was also studied. Application of electrical field significantly improved the dewatering performance in comparison to experiments without electric field. Electro‐dewatering increased the DS content of the sludge from 15% to 40 % in non‐pressure applications and from 8% to 41% in pressure‐driven applications. DS contents were significantly higher than typically obtained with mechanical dewatering techniques in wastewater treatment plant. The better performance of the pressure‐driven dewatering was associated to a higher current density at the beginning and higher electric field strength later on in the experiments. The applied voltage was one of the major parameters affecting dewatering time, water removal rate and DS content of the sludge cake. By decreasing the sludge loading rate, higher electrical field strength was established between the electrodes, which has a positive effect on an increase in DS content of the final sludge cake. However interrupted voltage application had anegative impact on dewatering in this study, probably because the off‐times were too long. Other factors affecting dewatering performance were associated to the original sludge characteristics and sludge conditioning. Anaerobic digestion of the sludge with high pH buffering capacity, polymer addition and freeze/thaw conditioning had a positive impact on dewatering. The impact of pH on electro‐dewatering was related to the surface charge of the particles measured as zeta‐potential. One of the differences between electro‐dewatering and mechanical dewatering technologies is that electro‐dewatering actively removes ionic compounds from the sludge. In this study, dissolution and migration of organic compounds (such as shortchain fatty acids), macro metals (Na, K, Ca, Mg, Fe) and trace metals (Ni, Mn, Zn, Cr) was investigated. The migration of the metals depended on the fractionation and electrical field strength. These compounds may have both negative and positive impacts on the reuse and recycling of the sludge and removed water. Based on the experimental results of this study, electro‐dewatering process can be optimized in terms of dewatering time, desired DS content, power consumption and chemical usage.

Optimization of the refining and shoe press in board production

Optimointi on tavallinen toimenpide esimerkiksi prosessin muuttamisen tai uusimisen jälkeen. Optimoinnilla pyritään etsimään vaikkapa tiettyjen laatuominaisuuksien kannalta paras tapa ajaa prosessia tai erinäisiä prosessin osia. Tämän työn tarkoituksena oli investoinnin jälkeen optimoida neljä muuttujaa, erään runkoon menevän massan jauhatus ja määrä, märkäpuristus sekä spray –tärkin määrä, kolmen laatuominaisuuden, palstautumislujuuden, geometrisen taivutusjäykkyyden ja sileyden, suhteen. Työtä varten tehtiin viisi tehdasmittakaavaista koeajoa. Ensimmäisessä koeajossa oli tarkoitus lisätä vettä tai spray –tärkkiä kolmikerroskartongin toiseen kerrosten rajapintaan, toisessa koeajossa muutettiin, jo aiemmin mainitun runkoon menevän massan jauhatusta ja jauhinkombinaatioita. Ensimmäisessä koeajossa tutkittiin palstautumislujuuden, toisessa koeajossa muiden lujuusominaisuuksien kehittymistä. Kolmannessa koeajossa tutkittiin erään runkoon menevän massan jauhatuksen ja määrän sekä kenkäpuristimen viivapaineen muutoksen vaikutusta palstautumislujuuteen, geometriseen taivutusjäykkyyteen sekä sileyteen. Neljännessä koeajossa yritettiin toistaa edellisen koeajon paras piste ja parametreja hieman muuttamalla saada aikaan vieläkin paremmat laatuominaisuudet. Myös tässä kokeessa tutkittiin muuttujien vaikutusta palstautumislujuuteen, geometriseen taivutusjäykkyyteen ja sileyteen. Viimeisen kokeen tarkoituksena oli tutkia samaisen runkoon menevän massan vähentämisen vaikutusta palstautumislujuuteen. Erinäisistä vastoinkäymisistä johtuen, koeajoista saadut tulokset jäivät melko laihoiksi. Kokeista kävi kuitenkin ilmi, että lujuusominaisuudet eivät parantuneet, vaikka jauhatusta jatkettiin. Lujuusominaisuuksien kehittymisen kannalta turha jauhatus pystyttiin siis jättämään pois ja näin säästämään energiaa sekä säästymään pitkälle viedyn jauhatuksen mahdollisesti aiheuttamilta muilta ongelmilta. Vähemmällä jauhatuksella ominaissärmäkuorma saatiin myös pidettyä alle tehtaalla halutun tason. Puuttuvat lujuusominaisuudet täytyy saavuttaa muilla keinoin.

Simulation and optimization of IGCC technique for power generation and hydrogen production by using lignite Thar coal and cotton stalk

The purpose of this study was to simulate and to optimize integrated gasification for combine cycle (IGCC) for power generation and hydrogen (H2) production by using low grade Thar lignite coal and cotton stalk. Lignite coal is abundant of moisture and ash content, the idea of addition of cotton stalk is to increase the mass of combustible material per mass of feed use for the process, to reduce the consumption of coal and to increase the cotton stalk efficiently for IGCC process. Aspen plus software is used to simulate the process with different mass ratios of coal to cotton stalk and for optimization: process efficiencies, net power generation and H2 production etc. are considered while environmental hazard emissions are optimized to acceptance level. With the addition of cotton stalk in feed, process efficiencies started to decline along with the net power production. But for H2 production, it gave positive result at start but after 40% cotton stalk addition, H2 production also started to decline. It also affects negatively on environmental hazard emissions and mass of emissions/ net power production increases linearly with the addition of cotton stalk in feed mixture. In summation with the addition of cotton stalk, overall affects seemed to negative. But the effect is more negative after 40% cotton stalk addition so it is concluded that to get maximum process efficiencies and high production less amount of cotton stalk addition in feed is preferable and the maximum level of addition is estimated to 40%. Gasification temperature should keep lower around 1140 °C and prefer technique for studied feed in IGCC is fluidized bed (ash in dry form) rather than ash slagging gasifier