Abstract Heavy alcohol consumption places a substantial burden on health all over the world. Metabolites of alcohol evoke alterations that lead to tissue damage in many organs. Phosphatidylethanol (PEth) is a unique phospholipid formed in the cellular membranes during the metabolism of ethanol after alcohol consumption. PEth has attracted special attention as it is postulated to be a reliable marker of long term heavy alcohol consumption. The aims of present study were to investigate the immunogenicity of phosphatidylethanol in mice and to analyze the plasma antibodies binding to phosphatidylethanol in humans. In this study a clear immune response was generated in mice immunized with PEth in human low density lipoprotein (LDL) carrier. Mouse monoclonal IgM antibodies binding specifically to phosphoethyl head group of PEth were generated using hybridoma technology. Since PEth was shown to be immunogenic in mice, plasma was analyzed for the presence of antibodies also in humans. PEth-specific antibodies of IgG, IgA and IgM isotypes in plasma were detected in heavy drinkers of alcohol with or without pancreatitis as well as in the controls. The plasma levels of the antibodies binding to PEth were significantly lower in the study subjects with heavy alcohol use and in this present study sample the low IgA levels to PEth were better indicators of heavy alcohol consumption as compared to the some of the traditional markers of heavy alcohol use. The antibody levels to PEth associated significantly to plasma antibodies binding to malondialdehyde-acetaldehyde adducts that are known to be formed during alcohol metabolism but not to antibodies binding to phosphocholine which is generated by lipid oxidation in humans. In conclusion, this study demonstrates that phosphatidylethanol is immunogenic in mice when using carriers such as human LDL in the immunization process. The binding of the monoclonal antibodies specifically to the PEth head group suggests that it would be feasible to develop a diagnostic immunoassay to PEth. The presence of antibodies binding to PEth in plasma indicates that PEth may be a target of humoral immunity in humans. / Tiivistelmä Runsas alkoholinkulutus aiheuttaa maailmanlaajuisesti merkittäviä terveydellisiä haittoja. Alkoholin aineenvaihduntatuotteet muuttavat kudoksien rakenteita ja aiheuttavat kudosvaurioita. Fosfatidyylietanoli on alkoholin aineenvaihdunnan tuloksena solukalvoilla syntyvä fosfolipidi, jota on tutkittu kahdenkymmenen vuoden ajan lupaavana alkoholin suurkulutuksen merkkiaineena. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää fosfatidyylietanolin immunisoinnin aiheuttamaa vasta-aineiden muodostumista koe-eläinmallina käytetyissä hiirissä sekä määrittää ihmisten plasmanäytteistä vasta-aineita, jotka sitoutuvat fosfatidyylietanoliin. Tutkimuksessa havaittiin immuunivasteen muodostuminen hiirissä, jotka immunisoitiin ihmisen LDL hiukkasiin liitetyllä fosfatidyylietanolilla. Hiiren monoklonaalisia fosfatidyylietanoliin sitoutuvia IgM-luokan vasta-aineita tuotettiin tutkimuksessa soluviljelyn avulla. Fosfatidyylietanolin aiheuttama vasta-aineiden muodostuminen hiirillä johdatti mittaamaan fosfatidyylietanoliin sitoutuvia vasta-aineita myös ihmisiltä. Tutkimuksessa havaittiin fosfatidyylietanoliin sitoutuvia IgG-, IgA- ja IgM-luokan vasta-aineita alkoholin suurkuluttajilla, alkoholihaimatulehdusta sairastavilla ja verrokkihenkilöillä. Vasta-aineiden pitoisuudet olivat alkoholia runsaasti käyttävillä koehenkilöillä merkitsevästi pienemmät kuin verrokkiryhmällä. Matalat IgA-vasta-ainepitoisuudet osoittautuivat aineistossa paremmaksi alkoholin suurkulutuksen osoittajiksi kuin eräät tavanomaisesti käytetyt alkoholinkäytön merkkiaineet. Plasman fosfatidyylietanoli-vasta-aineiden ja alkoholin aineenvaihdunnan seurauksena syntyvien malondialdehydi-asetaldehydi-addukteihin sitoutuvien vasta-aineiden määrän välillä havaittiin merkitsevä yhteys, jota ei havaittu rasvojen hapettumisen seurauksena syntyvien fosfokoliini-vasta-aineiden ja fosfatidyylietanoli-vasta-aineiden välillä. Tutkimus osoittaa, että hiirillä voidaan aikaansaada vasta-ainevälitteinen immuunivaste, kun ne rokotetaan ihmisen LDL-hiukkaseen liitetyllä fosfatidyylietanolilla. Fosfatidyylietanoliin spesifisesti sitoutuvien monoklonaalisten vasta-aineiden tuottaminen voi tulevaisuudessa johtaa immunologisen diagnostisen määritysmenetelmän kehittämiseen. Fosfatidyylietanoliin sitoutuvien plasman vasta-aineiden havaitseminen viittaa siihen, että fosfatidyylietanoli on vasta-ainevälitteisen immuunivasteen kohde myös ihmisillä.

Abstract Limited oil resources, environmental concerns and legislation promoting renewable energy and restricting carbon dioxide emissions have increased biofuel production in recent years. Other alternatives besides bioethanol and biodiesel are also needed to fulfil the continuously increasing transportation fuel demand. Production processes should be material, energy and resource efficient and sustainable, i.e. causing as low negative economic, environmental and social impacts as possible. There are still some limitations and development areas to be solved before feasible industrial biofuels and biochemicals production processes are obtained. The production of biobutanol and bioethanol was studied in this work. Production processes, challenges and improvement requirements were considered especially in the case of the Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation process. In addition, the sustainability assessment of biofuels production was discussed and an indicator-based approach to sustainability evaluation for different raw materials was used. Pervaporation as a product removal and purification method was experimentally studied. Two different applications were tested: a hydrophobic composite membrane with polydimethyl siloxane and polyacrylonitrile layers was used for the separation of acetone, n-butanol and ethanol from dilute aqueous solutions on a laboratory scale, and a hydrophilic polyvinyl alcohol membrane was applied for the dehydration of bioethanol at a pilot-scale. Results indicated that pervaporation can be used as a separation technique in biofuels production processes. New knowledge obtained during the research also promotes the efficient and sustainable production of biofuels and biochemicals and the development of industrial-scale applications. / Tiivistelmä Rajalliset öljyvarannot, huoli ympäristöstä sekä uusiutuvaa energiaa tukeva ja hiilidioksidipäästöjä rajoittava lainsäädäntö ovat lisänneet biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien valmistusta ja käyttöä viime vuosina. Jatkuvasti kasvavan polttoainetarpeen täyttämiseksi tarvitaan myös muita vaihtoehtoja nykyisin käytössä olevien bioetanolin ja -dieselin lisäksi. Tuotantoprosessien tulisi olla materiaali-, energia- ja kustannustehokkaita sekä kestäviä aiheuttaen mahdollisimman vähän haitallisia taloudellisia, sosiaalisia ja ympäristöllisiä vaikutuksia. Biokemiallisissa, käymisen avulla tapahtuvissa polttoaineiden valmistusprosesseissa on kuitenkin vielä rajoitteita ja kehitystarpeita, jotka tulee ratkaista kannattavan teollisen mittakaavan tuotannon mahdollistamiseksi. Tässä työssä tutkittiin biopolttoaineiden, erityisesti biobutanolin ja -etanolin, valmistusta. Tuotantoprosesseja on esitelty työssä haasteiden ja kehitystarpeiden näkökulmasta. Lisäksi on käsitelty biopolttoaineiden tuotannon kestävyyden arviointia ja osoitettiin tapa verrata eri raaka-aineiden kestävyyttä valittujen indikaattoreiden avulla. Työn kokeellisessa osuudessa tutkittiin pervaporaatiota tuotteiden (asetoni, n-butanoli, etanoli) erotuksessa ja puhdistuksessa. Kahta eri sovellusta testattiin: hybrofobista polydimetyylisiloksaani- ja polyakrylonitriili-kerroksista koostuvaa komposiittikalvoa käytettiin asetonin, n-butanolin ja etanolin erottamiseen erilaisista vesiliuoksista laboratoriomittakaavan laitteistolla sekä hydrofiilistä, polyvinyylialkoholi-kalvoa bioetanolin vedenpoistoon pilot-mittakaavassa. Lisäksi testattiin aktiivihiilisuodatuksen käyttöä bioetanolin esipuhdistuksessa haitallisten komponenttien osalta ennen pervaporaatiota. Koetulokset osoittavat, että pervaporaatiota voidaan käyttää biopolttoaine-sovellusten erotusmenetelmänä. Tutkimuksen aikana saatu uusi tieto edistää biomassapohjaisten polttoaineiden ja kemikaalien tehokasta ja kestävää tuotantoa ja kehitystä kohti teollisen mittakaavan sovelluksia.