Regeneroidun selluloosapinnan modifiointi kestämään mikro-organismien toimintaa

Työn tavoitteena oli kehittää mikro-organismeja kestävä suoli eli makkarankuori. Työ suoritettiin modifioimalla regeneroitua selluloosaa. Modifiointiliuoksena käytettiin etikkahapon ja etikkahappoanhydridin seosta, johon lisättiin rikkihappoa katalyytiksi. Työssä etsittiin parasta yhdistelmää, joka koostui modifiointiradannopeudesta, modifiointiliuoskoostumuksesta ja erilaisista modifiointimenetelmistä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin yleisesti asetaattikalvoja, niiden valmistusta ja ominaisuuksia. Lisäksi perehdyttiin entsyymin ominaisuuksiin ja toimintaan yleisesti. Entsyymeistä yksi otettiin lähempään tarkasteluun. Kokeissa regeneroitua selluloosaa modifioitiin liuoksessa, jonka koostumusta muunneltiin. Kokeissa oli kolme erilaista modifiointimenetelmää, joissa käytettiin neljää modifiointiliuoskoostumusta ja kolmea modifiointinopeutta. Mittauksissa tutkittiin modifioinnin vaikutusta suoliin verrattuna normaaleihin suoliin. Suolille tehtiin sekä mekaanisia että kemiallisia testejä. Kemiallisista testeistä tärkein oli testi, jossa modifioitu suoli altistettiin mikro-organismille. Tulosten perusteella valittiin paras menetelmä. Työssä havaittiin yhden menetelmän olevan muita paljon parempi. Tällä menetelmällä suoritettiin toistokokeita, jotka varmistivat jo saatuja tuloksia. Liuoskoostumusten välillä ei ollut suuria eroja, mutta kuitenkin niistä yksi osoittautui parhaimmaksi. Nopeutta oli vaikeampi määrittää, mutta siitäkin saatiin määritettyä tietty haarukka, jossa reaktio oli tehokkain.

Membrane development for oil contaminated water treatments

The aim of this Master’s thesis study was to develop a membrane for oil contaminated water treatments. Oily wastewaters are a big problem to environment and therefore it is important to find an efficient method for their treatment. There are several treatment methods, but one of the most promising methods is membrane filtration. In the theoretical part of this study the membrane technology and polymeric membrane preparation with phase inversion and membrane modification methods was discussed. It was also told about the most important properties of the membranes. Oily waters, their treatment methods and oily wastewater sources were discussed more specifically. In the experimental part membranes from cellulose acetate were prepared and membranes were modified with two different methods. Modification methods were surface modification and polymer mixing. The modification purpose was to make membranes more hydrophilic and increase surface charge, which can reduce fouling. Membranes were characterized by determining zeta potential, contact angle, oil retention, pure water permeability, pressure-normalized flux and fouling. It were used both synthetic and real spent oil-water emulsion in membrane filtration. Surface modification resulted membranes, which had better properties than unmodified membrane. The amount of substance used in surface modification affected a lot to membrane properties, so it would be necessary to try different amounts of substance to develop the best membrane for oil-water emulsion treatment.

Muurahaishapon käyttö etikkahapon ja propionihapon sovelluksissa

Työssä tutkittiin muurahais-, etikka- ja propionihapon sekä näiden johdannaisten teollisia sovelluskohteita. Työn tarkoituksena oli löytää muurahaishapolle tai sen johdannaisille potentiaalisia käyttökohteita etikka- ja propionihapon sekä näiden johdannaisten teollisista sovelluskohteista. Työssä on laaja kirjallisuuskatsaus, jossa käsitellään muurahais-, etikka- ja propionihapon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, ekologisia ja korroosiovaikutuksia sekä yleensä orgaanisten happojen antimikrobisia ominaisuuksia. Tämän lisäksi työssä esitellään tarkasteltavien happojen sekä happojohdannaisten markkinat teollisissa sovelluksissa Yhdysvalloissa, Länsi-Euroopassa ja Japanissa. Korvaavuuksien syventävän analyysin avulla pyrittiin löytämään ne sovelluskohteet muurahaishapolle tai sen johdannaisille, joissa ne voisivat olla hinnaltaan kilpailukykyisiä vastaavien etikka-ja propionihapposovellusten kanssa. Mahdollisen korvaavuuden rajaksi asetettiin5 000 tonnia sovelluskohdetta kohti. Kirjallisuustutkimuksen perusteella etikkahapon estereiden (asetaattiestereiden) käyttökohde liuottimien komponentteinavoisi olla potentiaalisin käyttökohde vastaaville muurahaishapon estereille (formiaattiestereille). Asetaattiestereitä on ennustettu käytettävän maailmalla 2 808 000 tonnia vuonna 2006. Niiden pääkäyttöalueet ovat liuottimina pintapäällysteissä kuten maaleissa, lakoissa sekä painomusteissa ja -väreissä. Toistaiseksi formiaattiestereitä on hyödynnetty vain muutamia satoja tonneja lähinnä lääketeollisuuden sovelluksissa välituotteena. Työssä tehtyjen alustavien laskelmien perusteella muurahaishapon esterit ovat hintatasoltaan kilpailukykyinen vaihtoehto vastaaville asetaattiestereille. Diplomityön kokeellisessa osassa etyyliformiaattia valmistettiin menestyksekkäästi laboratoriomittakaavassa. Toinen potentiaalinen uusi tuote on selluloosaformiaattikuitu (SF-kuitu). Selluloosa-asetaattikuitua käytettiin vuonna 2001 845 000 tonnia, josta 79 % kului savukefilttereiden valmistukseen. SF-kuitu on kirjallisuuden mukaan vaihtoehtoinen raaka-aine savukefilttereiden valmistukseen.

Suolan pesu ja liuottimen strippaus selluloosaeetteristä

Työssä tutkittiin suolan pesua ja liuottimen strippausta selluloosaeetteristä. Työn tavoitteena oli tutkia erään selluloosaeetterin ominaisuuksien vaikutusta pesuun ja strippaukseen. Strippauksesta selvitettiin pääasiallisesti alipaineen ja lämpötilan vaikutusta tarvittavaan höyrymäärään. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin selluloosaeetterin valmistuksen teoriaa, pesu- ja strippausprosesseihin vaikuttavia muuttujia sekä erilaisia pesu- ja strippausprosesseihin soveltuvia laitteita. Kokeet suoritettiin pilotlaitoksellaja kahdella tuotantolinjalla. Pilotlaitos oli panosprosessi ja tuotantolinjat olivat jatkuvatoimisia prosesseja. Kokeiden analyysitulokset käsiteltiin lineaarisella regressioanalyysillä. Analyysitulosten perusteella todettiin strippausalipaineen kasvun ja -lämpötilan noston lisäävän tarvittavaa höyrymäärää strippauksessa. Myös stripattavan selluloosaeetterin kosteuspitoisuuden kasvun havaittiin lisäävän tarvittavaa höyrymäärää strippauksessa.

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Development of a Filter Aid Proportioning, Mixing, and Feeding System for a Polishing Filter

The purpose of this work was to study the characteristics of the most commonly used filter aid materials and their influences on the design of proportioning, mixing, and feeding system for polishing filter family. Based on the literature survey and hands-on experience a system was designed with defined equipment and capital and operating costs. The system was designed to serve precoating and bodyfeeding applications and is easily extended to be used in multiple filter processes. Also a test procedure was carried out where influences of flux and filter cloths to accumulated cake were studied. Filter aid is needed in challenging conditions to improve filtration efficiency and cleaning, and thus extend the operating life of the filter media. Filter aid preparation and feeding system was designed for the use of two different filter aids; precoat and bodyfeed. Precoating is used before the filtration step initiates. If the solids in the filterable solution have a tendency to clog the filter bag easily, precoat is used on the filter bag to obtain better filtration efficiency and quality. Diatomite or perlite is usually used as a precoating substance. The intention is to create a uniform cake to the overall surface of the filter cloth, with predetermined thickness, 2 – 5 mm. This ensures that the clogging of the filter cloth is reduced and the filtration efficiency is increased. Bodyfeed is used if the solids in the filterable solution have a tendency to form a sticky impermeable filter cake. The cake properties are enhanced by maintaining the permeability of the accumulating cake by using the filter aid substance as bodyfeed during the filtration process.

Granulation tissue formation -The effect of hydroxyapatite coating of cellulose on cellular differentiation

Haavan jyväiskudoksen muodostuminen – Hydroksiapatiittipinnoi-tetun selluloosasienen vaikutus solujen erilaistumiseen paranemisprosessin aikana Etsittäessä uusia luun bioyhteensopivia täytemateriaaleja selluloosasieni päällystettiin luun koostumusta muistuttavalla runsaasti piitä sisältävällä hydroksiapatiittikerroksella. Vastoin odotuksia hydroksiapatiittipinnoitettu selluloosa ei parantanut luun kasvua, vaan päinvastoin ylläpiti tulehdusta ja sidekudossolujen hakeutumista vamma-alueelle. Ihon alle implantoituna sama sienimateriaali edisti merkittävästi haavan verekkään jyväiskudoksen kasvua. Tämän löydöksen perusteella hydroksiapatiittipinnoitetun selluloosasienen vaikutusta haavan soluihin paranemisprosessin aikana tutkittiin tarkemmin ja havaittiin, että tulehdussolujen lisäksi sieniin kertyi tavallista enemmän sekä hematopoieettisia että mesenkymaalisia kantasoluja. Hematopoieettiset kantasolut sijaitsevat luuytimessä lähellä luun sisäpintaa. Luun hydroksiapatiitista vapautuu kalsiumioneja luun jatkuvan fysiologisen uudismuodostuksen ja hajottamisen yhteydessä. Kantasolut etsiytyvät luuytimeen kalsiumia aistivien reseptorien välityksellä. Koska luun pintakerrosta muistuttavasta hydroksiapatiittipinnoitteesta vapautuu kalsiumia, tämän ajateltiin toimivan selityksenä sille, että hematopoieettiset kantasolut hakeutuvat runsaslukuisesti juuri hydroksiapatiittipinnoitettuihin selluloosasieniin. Tämän hypoteesin mukaisesti hydroksiapatiittipinnoitettujen selluloosapalkkien läheisyydestä löydettiin suuria määriä kalsiumreseptoreja sisältäviä soluja. Jatkotutkimuksissa todettiin lisäksi, että hematopoieettiset kantasolut pystyivät sienissä erilaistumaan hemoglobiinia tuottaviksi soluiksi. Havaittujen punasolulinjan merkkiaineiden perusteella näyttäisikin siltä, että haavan paranemiskudoksessa tapahtuu paranemisen aikana ekstramedullaarista erytropoieesia. Nämä soluja ohjaavat vaikutukset saattavat olla hyödyllisiä vaikeasti paranevien haavojen hoidossa.

Kiintoaineen ja nesteen erotusprosessit lignoselluloosaetanolin tuotannossa

Työn tarkoituksena on tehdä kirjallisuuskatsaus kiintoaine-neste-erotusprosesseihin lignoselluloosaetanolin tuotannossa. Työssä keskitytään hydrolysoidun ligniinipitoisen lignoselluloosamateriaalin kiintoaine-neste-erotukseen. Tarkoituksena on tutkia lignoselluloosamateriaalin suodatus- ja sentrifugointiprosesseja sekä niiden vaikutusta lignoselluloosaetanolin tuotantoon.

The Effects of Estradiol, Androgens and the Selective Estrogen Modulators: Ospemifene, Raloxifene and Tamoxifen on Explant Cultures of Human Breast Tissue

The impact of menopausal hormone therapy (MHT) on increasing the risk for breast cancer (BC) remains controversial. To understand MHT-elicited cellular breast effects and the potential risks, included with using this therapy, a further investigation into this controversy is the subject of this thesis. In this thesis, to study the effects of estrogen, progestin, androgens and selective estrogen receptor modulators (SERMs), a modified tissue explant culture system was used. The different types of human breast tissues (HBTs) used in this study were normal HBTs, obtained from reduction mammoplasties of premenopausal women (prem-HBTs) or postmenopausal (postm-HBTs) women and peritumoral HBTs (peritum-HBTs) which were obtained from surgeries on postmenopausal BC patients. The explants were cultured up to three weeks in the presence or absence of estradiol (E2), medroxyprogesterone acetate (MPA), testosterone (T), dihydrotestosterone (DHT) and SERMs - ospemifene (OSP), raloxifene (RAL) and tamoxifen (TAM). The cultured HBTs maintained morphological integrity and responded to hormonal treatment in vitro. E2, MPA or E2/MPA increased proliferative activity and was associated with increased cyclin-D1 and caused changes in the cell cycle inhibitors p21 and p27, whereas the androgens T and DHT inhibited proliferation and increased apoptosis in HBT epithelia and opposed E2-stimulated proliferation and cell survival. The postm-HBTs were more sensitive to E2 than prem-HBTs. The effects of OSP, RAL and TAM on HBT epithelium were antiproliferative. E2, androgens and SERMs were associated with marked changes in the proportions of epithelial cells expressing steroid hormone receptors: E2 increased ERα expressing cells and decreased androgen receptor (AR) positive cells, whereas T and DHT had opposite effects. The OSP, RAL and TAM, also decreased a proportion of ERα positive cells in HBT epithelium. At 100 nM, these compounds maintained the relative number of AR positive cells, present at control level, which may partly explain proliferative inhibition. In conclusion, the proliferative activity of E2, in the epithelium of postm-HBTs, is opposed by T and DHT, which suggests that the inclusion of androgens in MHT may decrease the risk for developing BC.

Analytical methods for analyzing organic peroxides

Työn tarkoituksena oli kehittää analyyttinen erotusmenetelmä eräässä valmistusprosessissa käytettävän hapettavan aineen ja liuottimen välillä syntyvien reaktiotuotteiden tutkimiseen ja analysoimiseen. Lisäksi tarkoituksena oli tutkia prosessiolosuhteiden turvallisuutta. Kirjallisuusosassa käsitellään erilaisia orgaanisia peroksideja, niiden käyttötarkoituksia ja niiden käyttöön liittyviä huomioitavia asioita. Lisäksi tarkastellaan yleisimpiä analyysimenetelmiä, joita on käytetty erilaisten peroksidien analysoinnissa. Näitä analyysimenetelmiä on useimmiten käytetty nestemäisten näytteiden tutkimuksissa. Harvemmin on analysoitu kaasu- ja kiintoainenäytteitä. Kokeellisessa osassa kehitettiin kirjallisuuden perusteella peroksidiyhdisteille identifiointimenetelmä ja tutkittiin prosessin näytteet. Analyysimenetelmiksi valittiin iodometrinen titraus ja HPLC-UV-MS-menetelmä. Lisäksi käytettiin peroksidimittaukseen soveltuvia testiliuskoja. Tutkimus osoitti, että iodometrisen titrauksen ja testiliuskojen perusteella näytteissä oli vähäisiä määriä peroksideja viikon jälkeen peroksidilisäyksestä. HPLC-UV-MS-analyysien perusteella näytteiden analysointia häiritsi selluloosa, jota löytyi jokaisesta näytteestä.

Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa. Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina. Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen. Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.

Sellulaasit ja niiden käyttö teollisuudessa

Kandidaatintyön kirjallisuuskatsauksessa esitellään selluloosan entsymaattisen hydrolyysin toimintamekanismi ja kerrotaan sellulaasien käytöstä aiheutuvista eduista ja haitoista eri teollisuussovelluksissa.

Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent. The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability. In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.

Rheological characterization of polysaccharide gels

In this Master’s Thesis work the rheological properties of different polysaccharide gels have been studied. The results of this study are used as a starting point for further investigations of potential applications. In order to understand rheological behavior of studied materials, the commercial hydrocolloids such as sodium carboxymethyl cellulose, xanthan gum and guar gum were used as reference and comparison material for rheological studies. As a part the rheological research the development and implementation of proper measurement methods for studied materials were carried out. In the literature review, short introductions of studied materials and application areas of rheological modifiers are summarized. In addition, basic rheological concepts and key fundamentals are explained. In the experimental part the focus was on the rheological characterization of aqueous suspensions of studied materials. Especially, gel strength and solution stability were investigated. The rheological measurements included both rotational and oscillatory measurements in different conditions, where several chemical and physical properties were measured with Anton Paar MCR302 dynamic rotational rheometer. Studied polysaccharide gels can be clearly defined to be shear thinning and thixotropic materials. They have strong gel forming properties even at low concentrations, which explains the superior thickening behavior for some of the samples. Along with rheological characterization of selected materials the factors behind different phenomena were investigated. To reveal value and potential use of polysaccharide gels the influence of various factors such as concentration, temperature and ionic strength were determined. The measurements showed a clear difference between studied materials under investigated external parameters.