Kritiskt sjuka patienter med infektioner är en börda för sjukvården och 70 % av alla patienter på intensivvårdsavdelningar är ordinerade antibiotika. Antibiotika binder till proteiner i blodet, men enbart den icke-proteinbundna (fria) fraktionen kan diffundera över kapillära membran och binda till receptorer. Standardproteinbindningsgrad för olika antibiotika har utvecklats från studier på friska frivilliga och doseringen av läkemedlen är anpassade därefter. Den totala koncentrationen av antibiotika i patienters blod är vanligen representativ för den farmakologiska effekten. Dock kan vissa sjukdomar påverka proteinbindningsgraden vilket resulterar i en större eller mindre mängd fria antibiotika i blodcirkulationen. Det här kan i sin tur resultera i toxicitet eller otillräcklig effekt av läkemedlet. Syftet med det här projektet var att utveckla en analytisk metod för att bestämma den fria koncentrationen av Beta-Lactam antibiotikan cefotaxim, flukloxacillin, kloxacillin och piperacillin i plasma. En metod utvecklades med ultrafiltrering för extraktion av den fria fraktionen och högupplösande vätskekromatografi och tandem masspektrometri, UHPLC-MS/MS, för kvantifiering av analyterna. Metoden validerades delvis enligt den Europeiska Läkemedelsmyndighetens riktlinjer för bioanalytisk metodvalidering. / Infections in critically ill patients are a problem for the healthcare system and at any one time, 70 % of all intensive care unit (ICU) patients are treated with antibiotics. Antibiotics bind to proteins in the blood, but only unbound drug can diffuse over capillary membranes and bind to the targeted receptor. Standard protein binding percentages for antibiotics have been developed from studies on healthy volunteers and dosing regimens for patients are adapted accordingly. The determination of the total concentration of antibiotics in patients’ blood samples is, based on the standard percentages, ordinarily representative for the pharmacological effect of the antibiotic. However, certain conditions that are common in critically ill patients can alter protein binding percentages, resulting in a larger or smaller unbound fraction. This in turn can result in toxicity or therapeutic failure. The aim of this project was to develop an analytical method for the determination of the unbound concentration of the Beta-Lactam antibiotics cefotaxime, flucloxacillin, cloxacillin and piperacillin in plasma. A method was successfully developed using ultrafiltration for the extraction of unbound analytes and ultra high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry, UHPLC-MS/MS, for their quantification. The method was partly validated according to the European Medicines Agency’s guidelines on bioanalytical method validation.

Kommunalförbundet Norrvatten är en av Sveriges största producenter av dricksvatten och förser över 50 miljoner vatten till över 700 000 invånare i norra Stockholm. Vattnet är renat i Görvälnverket som har sedan år 2016 planlagt en expansion av verkets kapacitet och kvalité. Ett fokusområde för att förbättra reningsprocessen är implementering av membranteknik. I det här projektet har experiment utförts som ett fortsatt arbete av att integrera ultrafiltration med koagulering på en mikropilot. Syftet med projektet är att optimera driftparameterar (koaguleringsdos, pH och alkalitet, uppehållstid och omblandning) för processen och jämföra pilotens effektivitet för två typer av matarvatten (kol- och sandfiltrat). En lägre koaguleringsdos på 2.5 mg Al/L resulterade i en 18.9 % avskiljning av TOC och 21.3% minskning i UV254. I jämförelse med en högre dos på 3.8 mg Al/L, var effektiviteten 2 % bättre för TOC och 3 % bättre för UV254. Till följd av en låg ökning i effektivitet för en högre koagulantdos påvisar en lägre dosering ett bättre alternativ. Dessutom är det rekommenderat att vid uppskalandet av piloten mer försök genomförs för att få mer pålitliga data och att automatisk dosering implementeras eftersom dosering av koagulant var en svårkontrollerad parameter.pH inom intervallet 6.8 till 7.2 visade vara mest optimal för att minimera mängden aluminiumrester i permeatet. Experimenten på pH konstaterar att flockning är pH beroende och optimalt vid pH 7. Effektiviteten var också beroende av alkaliteten. Där bäst alkalinitet anpassades till mellan 40 och 50 mg HCO3/L, med högre än 50 mg HCO3/L minskade effektiviteten av avskiljningen, vilket tyder på sämre flockning vid basiska förhållanden. Karbonatdosering av 5 mL 0.01 M Na2CO3 /L obehandlat vatten uppnådde önskad alkalinitet och minimerade aluminiumrester i permeatet.  Uppehållstiden och konfigurationen av blandning indikerade ingen optimal justering. Emellertid, en jämförelse av försök med uppehållstiden och försök utan koaguleringdos visade dramatisk minskning i effektivitet till endast 2 % TOC avskiljning och 6 % UV254 minskning. Placering av ultrafiltrationsenheten efter kolfiltret jämfört med efter sandfiltret visade inga tecken på nedsatt effektivitet. Transmembrantrycket över membranet ökade över den experimenterade perioden från 0.02 till 0.06 bar och fluktuerade under drift mellan det första och sista försöket. Det var däremot ingen skillnad i trycket mellan kolfilter och sandfilter, vilket styrker beslutet att placera ultrafiltrationsenheten efter kolfiltret. / The municipal association Norrvatten is one of Sweden's largest drinking water producers and distributes over 50 million m3 of drinking water to around 700 000 inhabitants in northern Stockholm. The water is treated in the Görväln plant, which has since 2016 planned to expand its capacity and improve its water quality. One researched area for improving the treatment process is implementing membrane technology. In this project, experiments are performed as a continued work of integrating ultrafiltration with coagulation on a bench-scale plant. The purpose is to optimise the operating parameters (coagulant dosage, pH & alkalinity, retention time, and mixing) and compare the ultrafiltration removal efficiency for two types of feed water (carbon and sand filtrate).  A lower coagulant dosage of 2.5 mg Al/L resulted in removal efficiencies on average of 18.9 % TOC removal and 21.3 % UV254 reduction. Compared to the higher dosage of 3.8 mg Al/L, the removal efficiency was only decreased with 2 % TOC and 3 % UV254. Therefore, a lower dosage is a more suitable option. Although, more data needs to be collected for a more reliable optimal dosage. In addition, for the up-scaling of the pilot, automatic dosage control needs to be implemented as the coagulant dosage is difficult to control as a parameter. pH showed the best removal efficiency in the range of 6.8 to 7.2 and minimised aluminium residue in the permeate. It verifies that flock formation is pH-dependent and optimal close to 7. The efficiency also depended on the alkalinity, with the optimal alkalinity between 40 to 50 mg HCO3/L. Higher alkalinity decreased the efficiency, which supports the theory that too basic water hinders flock formation. With minimum dosage of 5 mL 0.01 M Na2CO3/L untreated water, the required alkalinity could be achieved without affecting the amount of aluminium in the permeate residue.  The retention time and mixing configuration did not result in an optimum adjustment. However, with no retention time at a coagulant dosage of 0 mg Al/mL, the efficiency was reduced drastically to 2 % TOC removal and 6 % UV254 reduction. The placement after the carbon filter showed no adverse signs on the removal efficiency compared with placing it after the sand filter. The TMP of the membrane increased over time from 0.02 to 0.06 bar, and higher fluctuations in TMP were noted in the last experiment compared to the first. The differences were identical for both carbon and sand filtrate, strengthening the decision to place the ultrafiltration unit after the carbon filter.

De senaste årtiondena har en ökning av naturligt organiskt material (NOM) observerats i ytvatten i norra Europa och Nordamerika. NOM i vattnet innebär utmaningar för vattenverk som använder ytvatten i dricksvattenproduktionen då det kan ge upphov till lukt, smak och färg och svårigheter i driften. För att åtgärda och förebygga problemen behövs mer kunskap om NOM samt hur kvantiteten och sammansättningen förändras i olika reningsprocesser. Vid Hofors vattenverk används råvatten från sjön Hyen i dricksvattenproduktionen. Driftstörningar upplevs i perioder då råvattnets färgtal (mått på halten NOM) är högt. Därför undersöktes det hur väl den nuvarande reningsprocessen vid Hofors vattenverk fungerar med avseende på avskiljning av NOM samt vilken typ av NOM som avskiljs. Resultaten jämfördes med pilotförsök med direktfällning på ultrafiltermembran för att se om detta kan ge bättre avskiljning. Olika analysmetoder, absorbans, fluorescens och mätning av löst organiskt kol (DOC), användes för att avgöra kvantitet och karaktär på NOM i vattenproverna. Även eventuell förekomst av trend i råvattnets färgtal undersöktes. Likt i många andra ytvatten har färgtalet i Hyen har ökat de senaste åren (1997-2015). Råvattnet är svårfällt och innehåller en blandning av olika NOM-fraktioner. Huvudsakligen avskiljs humuslikt, alloktont NOM i Hofors vattenverk. Avskiljningen var störst i första reningssteget, direktfällning på sandfilter. Förändringen i efterföljande reningssteg, kolfilter samt desinfektions- och pH-höjande steg, var dock svår att bestämma till följd av mycket små förändringar och motsägande analysresultat. Tre ultrafiltermembranförsök gav liknande avskiljningsresultat som sandfilter, men i två av fallen är det troligt att igensättning av membranen spelade in. Det krävs ytterligare försök för att säkert uttala sig om huruvida ultrafiltermembran är en teknik som är lämplig att använda vid Hofors vattenverk i framtiden för avskiljning av NOM. / In recent decades, an increase in natural organic matter (NOM) has been observed in surface waters in Northern Europe and North America. NOM in the water poses challenges for water treatment plants (WTP) using surface water in the drinking water production. It can cause odor, taste and color of the water and cause difficulties in the treatment process. To prevent all these problems, more information about NOM and how the quantity and composition changes in various treatment processes is needed. At Hofors WTP, raw water from the lake Hyen is used in the production of drinking water. Disruptions in running the process have been experienced in periods when the raw water color (measure of the NOM content) has been high. In this thesis, it was investigated how well the current treatment process at Hofors WTP works with respect to the separation of NOM and what type of NOM that is separated. The results were compared with pilot tests with direct filtration using an ultrafilter membrane to see if this can provide better separation. Various analytical methods as absorbance, fluorescence and measurement of dissolved organic carbon (DOC) were used to quantify and determine the composition of NOM in the water samples. It was also examined whether there is a trend in the raw water color. As in many other surface waters the color of the water has increased in Hyen in recent years (1997-2015). The raw water contains a mixture of different NOM fractions and the character indicates difficulties in removing DOC by coagulation and flocculation. It is primarily the humic like, allochtonous NOM that is separated in the treatment process with the greatest separation in the first treatment step, direct filtration with sand filter. What happens in the subsequent treatment steps, carbon filter, disinfection and pH-raising step, was however unclear due to small changes and inconsistent analysis results. Three experiments with ultrafilter membrane yielded similar results as sand filters, but in two of the cases it is likely that clogging of the membranes contributed. Further membrane pilot tests are needed to be sure whether ultrafilter membrane is a is suitable technique to use at Hofors WTP in the future for separation of NOM.

Abstract The removal of Natural Organic Matter (NOM) from water supplies is crucial for the provision of clean, safe drinking water. Lab-scale experiments have been extensively utilized in water treatment facilities to optimize this process. The most used lab-scale method is known as jar test. However, with emerging membrane filtration, lab-scale inline coagulation has been recently utilized to mimic the inline coagulation over membrane filtration in water treatment plants (WTPs).     This study aims to compare the jar test with inline coagulation micro pilot methods from different aspects, including the NOM removal, time, and cost needed for each process. Three case studies were conducted using different water sources in Sweden: Katrineholm, Mälaren, and Mjörn.     In the experiments conducted to find the optimal NOM removal condition, the inline coagulation micro pilot method outperforms the jar test in terms of removal efficiency. In the Katrineholm case, the micro pilot method with a coagulant dosage of 4.5mg/l Al at pH 6.7 achieved removal efficiencies of 63% for fluorescent dissolved organic matter (fDOM), whereas the jar test showed 60% for fDOM but with a significantly higher coagulant dosage (7mg/l) . In the Mälaren case, the micro pilot method using a dosage of 2.5mg/l Al at pH 6.4 yielded removal efficiencies of 62% for UV254, absorbing organic matter and the jar test showed almost the same removal (64%) for UV254 but with a significantly higher coagulant dosage. Finally, in the Mjörn case, the micro pilot method with a coagulant dosage of 3.5mg/l Al at a pH of 6.6 resulted in removal efficiencies of 76% for UV254, the jar test also resulted in 76% for UV254 at the same pH level.     While the micro pilot method showed better removal efficiencies, it consumed more chemicals compared to the jar test. The micro pilot experiments required higher volumes of coagulant and additional chemical backwashing after each set of experiments. In contrast, the jar test method used lesser quantities of coagulant and chemicals due to the smaller scale of the experiments.     The findings of this study highlight the superiority of the inline coagulation micro pilot method over the jar test for optimizing NOM removal in water treatment processes. Despite the jar test being quicker and more cost-effective, it often required higher coagulant dosages to achieve comparable results. This was mainly because jar test demands heavy and large enough flocs to be removed from the water. Conversely, the micro pilot method, although more time-consuming and costly, provided more precise coagulant dosage control, resulted in higher removal efficiencies, and offered a more comprehensive understanding of the coagulation process. This is achieved by using a sensor called EXO sensor, which allows for immediate monitoring of the treatment results.

Infections in critically ill patients are a problem for the healthcare system and at any one time, 70 % of all intensive care unit (ICU) patients are treated with antibiotics. Antibiotics bind toproteins in the blood, but only unbound drug can diffuse over capillary membranes and bindto the targeted receptor. Standard protein binding percentages for antibiotics have been developed from studies on healthy volunteers and dosing regimens for patients are adapted accordingly. The determination of the total concentration of antibiotics in patients’ bloodsamples is, based on the standard percentages, ordinarily representative for the pharmacological effect of the antibiotic. However, certain conditions that are common incritically ill patients can alter protein binding percentages, resulting in a larger or smaller unbound fraction. This in turn can result in toxicity or therapeutic failure. The aim of this project was to develop an analytical method for the determination of the unbound concentration of the Beta-Lactam antibiotics cefotaxime, flucloxacillin, cloxacillin and piperacillin in plasma. A method was successfully developed using ultrafiltration for the extraction of unbound analytes and ultra high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry, UHPLC-MS/MS, for their quantification. The method was partly validated according to the European Medicines Agency’s guidelines on bioanalytical method validation. / Kritiskt sjuka patienter med infektioner är en börda för sjukvården och 70 % av alla patienter på intensivvårdsavdelningar är ordinerade antibiotika. Antibiotika binder till proteiner i blodet, men enbart den icke-proteinbundna (fria) fraktionen kan diffundera över kapillära membran och binda till receptorer. Standardproteinbindningsgrad för olika antibiotika har utvecklats från studier på friska frivilliga och doseringen av läkemedlen är anpassade därefter. Den totala koncentrationen av antibiotika i patienters blod är vanligen representativ för den farmakologiska effekten. Dock kan vissa sjukdomar påverka proteinbindningsgraden vilket resulterar i en större eller mindre mängd fria antibiotika i blodcirkulationen. Det här kan i sintur resultera i toxicitet eller otillräcklig effekt av läkemedlet. Syftet med det här projektet var att utveckla en analytisk metod för att bestämma den fria koncentrationen av Beta-Lactam antibiotikan cefotaxim, flukloxacillin, kloxacillin och piperacillin i plasma. En metod utvecklades med ultrafiltrering för extraktion av den fria fraktionen och högupplösande vätskekromatografi och tandem masspektrometri, UHPLCMS/MS, för kvantifiering av analyterna. Metoden validerades delvis enligt den Europeiska Läkemedelsmyndighetens riktlinjer för bioanalytisk metodvalidering.

The small village Chonyonyo, in the district Karagwe in the northwest of Tanzania has a shortage of safe drinking water. Women and children spend several hours a day fetching water and gathering firewood to boil the water to make it more suitable for drinking. The need of new sustainable water supply solutions is fundamental for providing more people with safe drinking water.   Two water distribution alternatives was suggested by Engineers Without Borders and MAVUNO as possible solutions to supply the community with water.  Alternative 1 consisted of a 10 km distribution system from an already existing groundwater well at the MAVUNO office to Chonyonyo. Alternative 2 consisted of a 3.5 km distribution system from the most neighboring valley to Chonyonyo, where no groundwater well exists today. Both alternatives would be powered by solar panels and operated six hours a day. The most sustainable distribution solution was chosen by modeling the distribution alternatives in the modeling software EPANET. Input parameters to simulate the model were position, elevation and dimension of storage tanks and pipes. Other required input parameters were absolute roughness, water withdrawal, operation hours, description of the withdrawal pattern for the water outlet and other modelling conditions such as a suitable simulation time. The selection of water distribution system was based on minimum requirements of energy used for operation weighed with lowest possible water residence time in the storage tank. Water quality analyses of the raw water source for distribution alternative 1 were performed in order to classify the water and select suitable water treatment solutions. The analyses consisted of microbiological and metal/metalloid analyses, and measurements of EC and pH. The result of the simulation showed that neither of the distribution alternatives met all the pipe design criteria. The main reason is that the system can not be constantly operated. If this criterion is excluded the optimal solution is distribution alternative 1 with an outer pipe diameter of 110 mm throughout the whole distribution system and a water residence time in the storage tank of 57.1 hours. The water quality analysis showed that the ground water source for distribution alternative 1 was affected by surface water and is thus classified as unusable because of high levels of harmful bacteria and lead. The most suitable water treatment solution due to the aspects of sustainable water supply are the microbiological barriers ultrafiltration and UV-light in combination with a treatment method to remove lead from the water. / I samhället Chonyonyo i distriktet Karagwe i nordvästra Tanzania råder brist på säkert dricksvatten. Kvinnor och barn spenderar flera timmar om dagen för att hämta vatten och samla ved för att koka vattnet så att det blir säkrare att dricka. Behovet av nya hållbara vattenlösningar är fundamental för att kunna försörja fler människor med säkert dricksvatten.   Två vattendistributionsalternativ lades fram av Ingenjörer utan gränser och MAVUNO som möjliga lösningar för att försörja invånarna i Chonyonyo med dricksvatten. Alternativ 1 bestod av ett 10 km distributionssystem från en befintlig grundvattenbrunn vid MAVUNO:s kontor. Alternativ 2 bestod av ett 3.5 km distributionssystem från den närmaste dalen till samhället Chonyonyo, där det inte finns någon befintlig grundvattenbrunn. Båda alternativen kommer att drivas av solpaneler och vara under drift sex timmar per dygn. Det lämpligaste distributionsalternativet valdes ut genom simulering i mjukvaran EPANET. Ingångsparametrar för simuleringen var bl.a. position, höjd och dimension på reservoarer och ledningar. Ytterligare nödvändiga parametrar var skrovlighet på ledningar, storlek på vattenuttag, antal driftstimmar, uttagmönster från vattenkranar i systemet samt andra modelleringsförhållanden såsom en lämplig simuleringstid. Valet av distributionssystem grundades på lägsta möjliga energibehov för drift viktat mot lägsta möjliga uppehållstid i vattenreservoarerna.   Kvalitetsanalyser av råvattnet för distributionsalternativ 1 genomfördes för att klassificera vattnet och göra lämpliga val av vattenreningslösningar. Analyserna omfattade mätning av ett antal mikrobiologiska parametrar, metaller/metalloider samt EC och pH. Simuleringen visade att ingen av alternativen kunde uppnå alla designkriterierna. Huvudorsaken till det är att systemet endast är i drift periodvis. Bortsett från dessa kriterier var det optimala lösningen distributionsalternativ 1 med en yttre rördiameter på 110 mm genom hela systemet med en maximal uppehållstid i vattenreservoaren på ca 57 timmar.   Analyserna visade att grundvattnet var ytvattenpåverkat och klassificeras som otjänligt med höga nivåer av skadliga bakterier och bly. De lämpligaste vattenreningslösningarna i förhållande till hållbarhetsaspekterna var de mikrobiologiska barriärerna ultrafiltrering och behandling med UV-ljus kombinerat med en reningsmetod för att avskilja bly från vattnet.

Norrvatten är den fjärde största dricksvattenproducenten i Sverige. De producerar och distribuerar dricksvatten till 14 kommuner norr om Stockholm. Norrvatten har under en tid studerat alternativa processer för att optimera och öka produktionskapaciteten och effektiviteten i deras dricksvattenreningsverk vid Görvälnverket.  I detta projekt har en pilotanläggning använts för att studera och optimera ett hybridprocessteg bestående av ett koagulerings- och ultrafiltreringssteg med syfte att avlägsna humusämnen från ytvatten. Effekten av pH, reaktionstid och olika matarvattenkvaliteter (Görväln, Fyrisån och sandfiltrat) analyserades genom en serie experiment utförda med pilotanläggningen. Den mest optimala placeringen av ett eventuellt ultrafiltreringssteg i reningsprocessen studerades även.   Resultaten från experimenten påvisade att pH mellan 6.1 och 6.7 inte hade någon effekt på reningen av fDOM. Mer signifikanta skillnader i rening kunde observeras mellan de olika koaguleringsdoserna, vilket indikerar att denna parameter är viktigare än pH. Reaktionstiden hade ingen märkbar effekt på anläggningens reningseffektivitet. Däremot ökade transmembrantrycket tio gånger snabbare under experimenten med den kortare reaktionstiden. Dessa resultat antyder att de bildade flocken var mindre och därmed blev mer tätt packade i ultrafiltret vilket i sin tur lett till det snabbt ökande trycket i membranet. En avskiljning av minst 50 %, men inte mer än 60 %, av det ingående fDOM kunde uppnås med alla matarvatten utom sandfiltratet, som hade en reningseffektivitet på 18 %. Vattnet från Fyrisån visade sig vara en utmaning för anläggningen att hantera, då trycket snabbt byggdes upp i membranet vilket tyder på att anläggningen inte klarar för starkt förorenade vatten. Resultaten från sandfiltratexperimenten visade att ett ultrafiltreringssteg efter sandfiltren skulle kunna vara en möjlig placering av ultrafiltren. Ytterligare studier krävs dock för att med säkerhet kunna bestämma den mest optimala placeringen.   Sammanfattningsvis visar resultaten från experimenten lovande tecken på att en ultrafiltreringsprocess är ett möjligt alternativ för att öka Norrvattens dricksvattenreningsverks effektivitet och kapacitet. / Norrvatten is the fourth largest drinking water producer in Sweden. They produce and distribute drinking water to 14 municipalities north of Stockholm. For some time, Norrvatten has studied alternative processes in order to optimise and increase the production capacity and efficiency of their drinking water treatment plant at Görvälnverket.   In this project, a small-scale pilot plant has been used to study and optimise a coagulation and ultrafiltration hybrid process step in order to remove humic substances from surface water. The effect of pH, reaction time, and different feed water qualities (Görväln, Fyrisån and Görväln full scale sand filtrate) were analysed through a series of experiments performed with the pilot plant. The most optimal placement of an eventual ultrafiltration step was also studied.  The results from the experiments suggested that pH in the range 6.1 to 6.7 had no large effect on the removal efficiency of fluorescent dissolved organic matter (fDOM). Instead, differences in removal efficiency could be observed between coagulant dosages which indicates that this parameter is of more importance than pH. At higher pH (> 7) removal was significantly lower. The reaction time had no effect on the removal efficiency of the plant. However, the transmembrane pressure increased ten times faster during the experiments with a shorter reaction time. These results suggested that the floc formed were smaller and thereby more tightly packed in the ultrafilter which in turn increased the pressure in the membrane. An fDOM removal of at least 50 %, though no more than 60 %, was achieved with all feed waters except for the sand filtrate which had a removal efficiency of 18 %. However, highly concentrated humic waters such as Fyrisån proved to be challenging for the plant to handle since the pressure built up rather quickly in the membrane. The sand filtrate feed water experiments indicated that an ultrafiltration step after a sand filtration process would be effective. However, further studies are required to be able to determine the most optimal placement of the ultrafiltration process.  In conclusion, the results achieved with the pilot plant show promising signs of an ultrafiltration process being a viable alternative for Norrvatten to increase their drinking water treatment plant’s efficiency and capacity.