Identifying and Characterizing New Ingredients in vitro for Prebiotic and Synbiotic use

The endogenous microbiota, constituting the microbes that live inside and on humans, is estimated to outnumber human cells by a factor of ten. This commensal microbial population has an important role in many physiological functions, with the densest microbiota population found in the colon. The colonic microbiota is a highly complex and diverse bacterial ecosystem, and a delicate balance exists between the gut microbiota and its host. An imbalance in the microbial ecosystem may lead to severe symptoms in and also beyond the gastrointestinal tract. Due to the important role of the gut microbiota in human health, means of its modification have been introduced in the dietary concepts of pro-, pre- and synbiotics. Prebiotics, which are usually carbohydrates, strive to selectively influence beneficial microbes resident in the colon with the aim of modifying the composition and functionality of the commensal microbial population towards a purportedly healthier one. The study of prebiotic effects on colonic micro-organisms is typically done by using human faecal material, though this provides relatively little information on bacterial populations and metabolic events in different parts of the colon. For this reason, several in vitro models have been developed to investigate the gut microbiota. The aim of this doctoral thesis was to screen through some of the promising prebiotic candidates, characterize their effects on the microbiota through the use of two in vitro methods (pure microbial cultures and a colon simulator model) and to evaluate their potential as emerging prebiotics or synbiotics when combined with the probiotic Bifidobacterium lactis . As a result of the screening work and subsequent colon simulation studies, several compounds with promising features were identified. Xylo-oligosaccharides (XOS), which have previously already shown promise as prebiotic compounds, were well fermented by several probiotic Bifidobacterium lactis strains in pure culture studies and in the following simulation studies utilizing the complex microbiota by endogenous B. lactis Another promising compound was panose, a trisaccharide belonging to isomalto-oligosaccharides (IMO) that also was also able to modify the microbiota in vitro by increasing the number of beneficial microbes investigated. Panose has not been widely studied previously and therefore, this thesis work provided the first data on panose fermentation in mixed colonic microbiota. Galacto-oligosaccharide (GOS) is an established prebiotic, and it was studied here in conjunction with another potential polygosaccharide polydextrose (PDX) and probiotic B. lactis Bi-07. In this final study, the synbiotics including GOS were more effective than the constituting pro- or prebiotics alone in modulating the microbiota composition, thus indicating a synergy resulting from the combination. The results obtained in this in vitro work can be, and have already been, utilized in product development aimed at the nutritional modification of the human colonic microbiota. Some of the compounds have entered the human clinical intervention phase to nvestigate in more detail the prebiotic and synbiotic properties seen in these in vitro studies.

Sähköverkkojen käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmien käyttöönotto

Käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmät, eli käytönhallintajärjestelmät ovat osana sähköverkkoyhtiöiden arkea ja ilman niiden tuomaa apua sähkön jakelun valvonta ja hallinta olisi hyvin haastava tehtävä. Lisäksi käytönhallintajärjestelmät moitteeton toi-miminen tarjoaa hyvän alustan kehittää tulevaisuuden tärkeitä hankkeita kuten Smart Grid konseptia. Tässä työssä tarkastellaan käytönhallintajärjestelmien käyttöönottoa, kuinka se voidaan toteuttaa ja mitä asioita pitää ottaa huomioon käyttöönoton eri vaiheissa. Käytönhallintajärjestelmien käyttöönotto suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkömarkkinalaboratoriossa sijaitsevalla verkkosimulaattorille, johon asennettiin MicroSCADA SYS 600 9.1 käytönvalvontajärjestelmä sekä DMS 600 4.2 käytöntukijärjestelmä.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Mallipohjainen suunnittelu osana aurinkosähkövaihtosuuntaajan tuotekehitystä

Työssä selvitetään mallipohjaisen suunnittelun ja simulointimallista tuotetun ohjelmakoodin kelpoisuutta tuotekehityskäytössä. Työtapoja tutkitaan, koska halutaan selvittää parantavatko esitetyt toimintatavat aurinkosähkövaihtosuuntaajien ohjelmistokehitystä. Työssä käydään läpi mallipohjaisen suunnittelun työvaiheet, niiden sisältö ja tarkoitus. Aurinkosähköjärjestelmästä muodostetaan simulointimalli, josta tuotetaan maksimitehopisteseuraajan ohjelmakoodi, jonka toiminta testataan aurinkosähkövaihtosuuntaajan ohjausalustan simulaattorissa. Mallipohjainen suunnittelu mahdollistaa ohjelmistotuotekehityksen nopeuttamisen käyttämällä samaa järjestelmää useassa työvaiheessa. Ohjelmakoodin tuottaminen simulointimallista on mahdollista ja hyödyllistä, jos yrityksessä käytetään simulointitestausta säätö- ja ohjausjärjestelmän toiminnan suunnitteluun ja varmentamiseen.

Vaikutusalakirjastojen muodostaminen Serpent-ARES-laskentaketjussa

Tässä diplomityössä on esitetty työn yhteydessä toteutetun Serpent-ARES-laskentaketjun muodostamiseksi tarvittavat toimenpiteet. ARES-reaktorisydän-simulaattorissa tarvittavien homogenisoitujen ryhmävakiokirjastojen muodostaminen Serpentiä käyttäen tekee laskentaketjusta muiden käytössä olevien reaktorisydämen laskentaketjujen mahdollisista virhelähteistä riippumattoman. Monte Carlo-laskentamenetelmään perustuvaa reaktorifysiikan laskentaohjelmaa käyttämällä ryhmävakiokirjastot muodostetaan uudella menetelmällä ja näin saadaan viranomaiskäyttöön voimayhtiöiden käyttämistä menetelmistä riippumaton laskentaketju reaktorien turvallisuusmarginaalien laskentaan. Työn yhteydessä muodostetun laskentaketjun ja tehtyjen vaikutusalakirjastojen muodostamisrutiinien sekä parametrisovitteiden toimivuus on todettu laskemalla Olkiluoto 3 - reaktorin alkulatauksen säätösauvojen tehokkuuksia ja sammutusmarginaaleja eri olosuhteissa. Menetelmä on todettu toimivaksi parametrien pätevyysalueella ja saadut laskentatulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa. Parametrimallin tarkkuutta ja pätevyysaluetta on syytä vielä kehittää, ennen kuin laskentaketjua voidaan käyttää varmentamaan muilla menetelmillä laskettujen tulosten oikeellisuutta.

Autourheilusimulaattoreiden fysiikkamallinnuksen erot tuotekehityssimulaattoreihin

Kandidaatintyössä käsitellään ajoneuvosimulaattoreita pelien ja tuotekehityksen maailmasta. Tarkoituksena on selvittää lähinnä kirjallisuuskatsauksena, minkälaisia fysiikkamalleja simulaatiopeleissä käytetään ja miten ne eroavat tuotekehityksessä käytettävistä ajoneuvosimulaatiomalleista. Pelisimulaattorin tärkein tavoite on realistinen tuntuma. Lisäksi etuja ovat pelaajaa koukuttava haaste ja viihde. Tuotekehityssimulaattorissa tärkein tavoite taas on hyödyntämiskelpoinen tulos. Näkyvin ero on visualisoinnissa, mutta mallinnettavat ilmiöt sekä tapa mallintaa niitä eroavat myös monilta osin.

Simulointi- ja ohjausjärjestelmän kehitys siltanosturiavusteiseen automaattivarastoon

Diplomityö tehtiin Konecranes Oyj:lle, joka on nostureita valmistava ja niille kunnossapitopalveluita tarjoava suomalainen pörssiyhtiö. Työn kuluessa suunniteltiin ja toteutettiin siltanosturiavusteisiin automaattivarastoihin soveltuva simulointiohjelmisto ja varastonohjausjärjestelmä. Työssä keskityttiin pääsääntöisesti paperirullavarastoihin, mutta suunnitteluvaiheessa otettiin huomioon myös muut Konecranesin tarjontaan kuuluvat automaattivarastotyypit kuten vaakarulla ja kontti. Simulointiohjelmistolla mallinnetaan automaattivarastossa tapahtuvia liikkeitä. Käyttäjä pystyy näkemään nostureiden ja muiden varastossa olevien komponenttien liikkeet 3D- muotoisena simulaattorin käyttöliittymästä. Simulaattorin tavoitteena on helpottaa automaattivaraston suunnittelua ja nopeuttaa sen käyttöönottoa, sekä toimia myös vakuuttavana myyntityökaluna asiakaskontakteissa. Varastonohjausjärjestelmä tekee päätökset varaston tapahtumista ja ohjaa mm. nostureiden toimintaa. Diplomityön päämääränä oli perehtyä tarkasti nykyisen varastonohjausjärjestelmän toimintaan, kehittää uusi ratkaisumalli puutteiden sekä toiveiden perusteella ja lopulta osoittaa ratkaisumallin toimivuus ohjelmoimalla esittelyversio simulaattorista ja varastonohjausjärjestelmästä. Samaa varastonohjausjärjestelmää on määrä käyttää simulaattorissa ja tulevaisuudessa todellisen varaston ohjaamisessa. Asetetuista vaatimuksista johtuen järjestelmästä suunniteltiin mahdollisimman mukautuva. Työn lopputuloksena saatiin perusominaisuudet kattava 3D-simulaattori ja siihen liitetty varastonohjausjärjestelmä. Toteutuksen avulla oli mahdollista osoittaa ratkaisumallin toimivuus sekä esitellä ideaa laajamittaisemmin. Diplomityön kuluessa saatiin nykyisestä järjestelmästä kattavat tiedot ja pystyttiin määräämään suunta, kuinka kehitystyötä jatketaan.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Moottorin paikkasäädön toteutus dsPIC-ohjaimella

Työssä suunniteltiin nostinsimulaattorin z-akselin suuntaiselle moottorille paikkasäätö ja sen ohjaus CAN-väylää pitkin. Työ toteutettiin projektiryhmässä, jossa eri henkilöt vastasivat eri osa-alueista. CAN-kommunikointi saatiin toimimaan ja lisäksi moottorilta pystyttiin lukemaan paikkatieto talteen. Moottorin säätö jäi vielä puuttumaan.

Höyryjärjestelmän pelisimulaattorikonsepti

Tässä diplomityössä on suunniteltu konsepti myöhemmin toteutettavaa pelisimulaat-toria varten. Pelisimulaattorista tulee osa öljynjalostamon tuotanto-operaattoreiden höyryjärjestelmän koulutusmoduulia. Työssä höyryjärjestelmän simulaattoriin on laadittu selkeä malli ja rakenne, joka arvioi käyttäjän suoritusta sekä antaa palautteen suorituksen onnistumisesta. Höyryjärjestelmän toiminnan ymmärtäminen on tärkeää, sillä sen avulla höyryntuotantoa voidaan optimoida. Kirjallisuusosassa on käsitelty koulutussimulaattoreita sekä niiden käyttökohteita. Lisäksi on esitetty höyryntuottajat sekä höyrynkuluttajat, jotka huomioitiin pelisimu-laattorikonseptissa. Jokaiselle yksikköprosessille on laadittu toimintakuvaus ja ope-rointiohjeet, joiden perusteella pelaaja saa käsityksen simulaattorin toimintaperiaat-teesta. Soveltavassa osassa on käsitelty kaikkien konseptissa mallinnettujen laitteiden aine- ja energiataseet sekä muut laskennassa tarvittavat teknilliset korrelaatiot. Soveltavas-sa osassa esitettiin myös pelisimulaattorin arviointiperusteet, arviointiin tarvittavien kustannusten korrelaatiot, häiriötilanne sekä esimerkkisimulointi ja suoritusesimerkki häiriön korjaamiseksi. Pelisuorituksen arvioinnin suunnitteluun kiinnitettiin huomiota, jolloin pelisimulaat-tori vastaa mahdollisimman hyvin todellista prosessia sekä säilyttää motivaation si-mulaattoriharjoitteluun.

Kaukolämpöakun kannattavuus yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia Etelä-Savon Energialle soveltuvan kaukolämpöakun käyttömahdollisuuksia, optimaalista kokoa, sopivinta prosessikytkentää ja investoinnin kannattavuutta. Teoriaosassa käsitellään kirjallisuuden perusteella lämmönvarastoinnin teoriaa sekä investoinninkannattavuuslaskentaa. Soveltavassa osassa määritetään testivuoden sekä lyhytaikaissimuloinnin avulla yritykselle parhaiten sopiva akun tilavuus, kytkentä sekä investoinnin kannattavuus. Teorian ja kannattavuuslaskennan perusteella parhaaksi vaihtoehdoksi valittiin paineistamaton kaukolämpöakku, jonka vesitilavuus on 7 000 m3 ja lataus- ja purkuteho 30 MW. Investoinnin sisäiseksi korkokannaksi saatiin 19,6 %. Investointilaskennan ja herkkyystarkastelun perusteella kaukolämpöakku on kannattava.

Novel virtual environment and real-time simulation based methods for improving life-cycle efficiency of non-road mobile machinery

Virtual environments and real-time simulators (VERS) are becoming more and more important tools in research and development (R&D) process of non-road mobile machinery (NRMM). The virtual prototyping techniques enable faster and more cost-efficient development of machines compared to use of real life prototypes. High energy efficiency has become an important topic in the world of NRMM because of environmental and economic demands. The objective of this thesis is to develop VERS based methods for research and development of NRMM. A process using VERS for assessing effects of human operators on the life-cycle efficiency of NRMM was developed. Human in the loop simulations are ran using an underground mining loader to study the developed process. The simulations were ran in the virtual environment of the Laboratory of Intelligent Machines of Lappeenranta University of Technology. A physically adequate real-time simulation model of NRMM was shown to be reliable and cost effective in testing of hardware components by the means of hardware-in-the-loop (HIL) simulations. A control interface connecting integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) with virtual simulation model of log crane was developed. IEHEC consists of a hydraulic pump-motor and an integrated electrical permanent magnet synchronous motorgenerator. The results show that state of the art real-time NRMM simulators are capable to solve factors related to energy consumption and productivity of the NRMM. A significant variation between the test drivers is found. The results show that VERS can be used for assessing human effects on the life-cycle efficiency of NRMM. HIL simulation responses compared to that achieved with conventional simulation method demonstrate the advances and drawbacks of various possible interfaces between the simulator and hardware part of the system under study. Novel ideas for arranging the interface are successfully tested and compared with the more traditional one. The proposed process for assessing the effects of operators on the life-cycle efficiency will be applied for wider group of operators in the future. Driving styles of the operators can be analysed statistically from sufficient large result data. The statistical analysis can find the most life-cycle efficient driving style for the specific environment and machinery. The proposed control interface for HIL simulation need to be further studied. The robustness and the adaptation of the interface in different situations must be verified. The future work will also include studying the suitability of the IEHEC for different working machines using the proposed HIL simulation method.

Novel control, haptic and calibration methods for teleoperated electrohydraulic servo systems

The aim of this thesis is to propose a novel control method for teleoperated electrohydraulic servo systems that implements a reliable haptic sense between the human and manipulator interaction, and an ideal position control between the manipulator and the task environment interaction. The proposed method has the characteristics of a universal technique independent of the actual control algorithm and it can be applied with other suitable control methods as a real-time control strategy. The motivation to develop this control method is the necessity for a reliable real-time controller for teleoperated electrohydraulic servo systems that provides highly accurate position control based on joystick inputs with haptic capabilities. The contribution of the research is that the proposed control method combines a directed random search method and a real-time simulation to develop an intelligent controller in which each generation of parameters is tested on-line by the real-time simulator before being applied to the real process. The controller was evaluated on a hydraulic position servo system. The simulator of the hydraulic system was built based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. A Particle Swarm Optimization algorithm combined with the foraging behavior of E. coli bacteria was utilized as the directed random search engine. The control strategy allows the operator to be plugged into the work environment dynamically and kinetically. This helps to ensure the system has haptic sense with high stability, without abstracting away the dynamics of the hydraulic system. The new control algorithm provides asymptotically exact tracking of both, the position and the contact force. In addition, this research proposes a novel method for re-calibration of multi-axis force/torque sensors. The method makes several improvements to traditional methods. It can be used without dismantling the sensor from its application and it requires smaller number of standard loads for calibration. It is also more cost efficient and faster in comparison to traditional calibration methods. The proposed method was developed in response to re-calibration issues with the force sensors utilized in teleoperated systems. The new approach aimed to avoid dismantling of the sensors from their applications for applying calibration. A major complication with many manipulators is the difficulty accessing them when they operate inside a non-accessible environment; especially if those environments are harsh; such as in radioactive areas. The proposed technique is based on design of experiment methodology. It has been successfully applied to different force/torque sensors and this research presents experimental validation of use of the calibration method with one of the force sensors which method has been applied to.

CloudSimDisk: Energy-Aware Storage Simulation in CloudSim

Cloud Computing paradigm is continually evolving, and with it, the size and the complexity of its infrastructure. Assessing the performance of a Cloud environment is an essential but strenuous task. Modeling and simulation tools have proved their usefulness and powerfulness to deal with this issue. This master thesis work contributes to the development of the widely used cloud simulator CloudSim and proposes CloudSimDisk, a module for modeling and simulation of energy-aware storage in CloudSim. As a starting point, a review of Cloud simulators has been conducted and hard disk drive technology has been studied in detail. Furthermore, CloudSim has been identified as the most popular and sophisticated discrete event Cloud simulator. Thus, CloudSimDisk module has been developed as an extension of CloudSim v3.0.3. The source code has been published for the research community. The simulation results proved to be in accordance with the analytic models, and the scalability of the module has been presented for further development.

Separation of lignin in Pulp Mill process and its effect on sodium sulphur balance

The aim of this thesis is to define effects of lignin separation process on Pulp mill chemical balance especially on sodium/sulphur-balance. The objective is to develop a simulation model with WinGEMS Process Simulator and use that model to simulate the chemical balances and process changes. The literature part explains what lignin is and how kraft pulp is produced. It also introduces to the methods that can be used to extract lignin from black liquor stream and how those methods affect the pulping process. In experimental part seven different cases are simulated with the created simulation model. The simulations are based on selected reference mill that produces 500 000 tons of bleached air-dried (90 %) pulp per year. The simulations include the chemical balance calculation and the estimated production increase. Based on the simulations the heat load of the recovery boiler can be reduced and the pulp production increased when lignin is extracted. The simulations showed that decreasing the waste acid stream intake from the chlorine dioxide plant is an effective method to control the sulphidity level when about 10 % of lignin is extracted. With higher lignin removal rates the in-mill sulphuric acid production has been discovered to be a better alternative to the sulphidity control.