From protein structure to function with bioinformatics

It has long been known that amino acids are the building blocks for proteins and govern their folding into specific three-dimensional structures. However, the details of this process are still unknown and represent one of the main problems in structural bioinformatics, which is a highly active research area with the focus on the prediction of three-dimensional structure and its relationship to protein function. The protein structure prediction procedure encompasses several different steps from searches and analyses of sequences and structures, through sequence alignment to the creation of the structural model. Careful evaluation and analysis ultimately results in a hypothetical structure, which can be used to study biological phenomena in, for example, research at the molecular level, biotechnology and especially in drug discovery and development. In this thesis, the structures of five proteins were modeled with templatebased methods, which use proteins with known structures (templates) to model related or structurally similar proteins. The resulting models were an important asset for the interpretation and explanation of biological phenomena, such as amino acids and interaction networks that are essential for the function and/or ligand specificity of the studied proteins. The five proteins represent different case studies with their own challenges like varying template availability, which resulted in a different structure prediction process. This thesis presents the techniques and considerations, which should be taken into account in the modeling procedure to overcome limitations and produce a hypothetical and reliable three-dimensional structure. As each project shows, the reliability is highly dependent on the extensive incorporation of experimental data or known literature and, although experimental verification of in silico results is always desirable to increase the reliability, the presented projects show that also the experimental studies can greatly benefit from structural models. With the help of in silico studies, the experiments can be targeted and precisely designed, thereby saving both money and time. As the programs used in structural bioinformatics are constantly improved and the range of templates increases through structural genomics efforts, the mutual benefits between in silico and experimental studies become even more prominent. Hence, reliable models for protein three-dimensional structures achieved through careful planning and thoughtful executions are, and will continue to be, valuable and indispensable sources for structural information to be combined with functional data.

The Fluid Structure Interaction Analysis of a Peristaltic Pump

The thesis work models the squeezing of the tube and computes the fluid motion of a peristaltic pump. The simulations have been conducted by using COMSOL Multiphysics FSI module. The model is setup in axis symmetric with several simulation cases to have a clear understanding of the results. The model captures total displacement of the tube, velocity magnitude, and average pressure fluctuation of the fluid motion. A clear understanding and review of many mathematical and physical concepts are also discussed with their applications in real field. In order to solve the problems and work around the resource constraints, a thorough understanding of mass balance and momentum equations, finite element concepts, arbitrary Lagrangian-Eulerian method, one-way coupling method, two-way coupling method, and COMSOL Multiphysics simulation setup are understood and briefly narrated.

Belt conveyor energy efficiency analysis and energy model development

An energy model of a belt conveyor was designed. Operation of a belt conveyor was researched. Operational indexes were calculated. Energy optimization process and recommendations were presented.

Modal testing and numerical modeling of the dynamic properties of layered sheet-steel structure

Recently, due to the increasing total construction and transportation cost and difficulties associated with handling massive structural components or assemblies, there has been increasing financial pressure to reduce structural weight. Furthermore, advances in material technology coupled with continuing advances in design tools and techniques have encouraged engineers to vary and combine materials, offering new opportunities to reduce the weight of mechanical structures. These new lower mass systems, however, are more susceptible to inherent imbalances, a weakness that can result in higher shock and harmonic resonances which leads to poor structural dynamic performances. The objective of this thesis is the modeling of layered sheet steel elements, to accurately predict dynamic performance. During the development of the layered sheet steel model, the numerical modeling approach, the Finite Element Analysis and the Experimental Modal Analysis are applied in building a modal model of the layered sheet steel elements. Furthermore, in view of getting a better understanding of the dynamic behavior of layered sheet steel, several binding methods have been studied to understand and demonstrate how a binding method affects the dynamic behavior of layered sheet steel elements when compared to single homogeneous steel plate. Based on the developed layered sheet steel model, the dynamic behavior of a lightweight wheel structure to be used as the structure for the stator of an outer rotor Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator designed for high-power wind turbines is studied.

Dynamic Analysis Model of Spherical Roller Bearings with Defects

Rolling element bearings are essential components of rotating machinery. The spherical roller bearing (SRB) is one variant seeing increasing use, because it is self-aligning and can support high loads. It is becoming increasingly important to understand how the SRB responds dynamically under a variety of conditions. This doctoral dissertation introduces a computationally efficient, three-degree-of-freedom, SRB model that was developed to predict the transient dynamic behaviors of a rotor-SRB system. In the model, bearing forces and deflections were calculated as a function of contact deformation and bearing geometry parameters according to nonlinear Hertzian contact theory. The results reveal how some of the more important parameters; such as diametral clearance, the number of rollers, and osculation number; influence ultimate bearing performance. Distributed defects, such as the waviness of the inner and outer ring, and localized defects, such as inner and outer ring defects, are taken into consideration in the proposed model. Simulation results were verified with results obtained by applying the formula for the spherical roller bearing radial deflection and the commercial bearing analysis software. Following model verification, a numerical simulation was carried out successfully for a full rotor-bearing system to demonstrate the application of this newly developed SRB model in a typical real world analysis. Accuracy of the model was verified by comparing measured to predicted behaviors for equivalent systems.

A Numerical study of fluid flow in peristaltic pumps and polymeric elastic pipes

This thesis work deals with a mathematical description of flow in polymeric pipe and in a specific peristaltic pump. This study involves fluid-structure interaction analysis in presence of complex-turbulent flows treated in an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) framework. The flow simulations are performed in COMSOL 4.4, as 2D axial symmetric model, and ABAQUS 6.14.1, as 3D model with symmetric boundary conditions. In COMSOL, the fluid and structure problems are coupled by monolithic algorithm, while ABAQUS code links ABAQUS CFD and ABAQUS Standard solvers with single block-iterative partitioned algorithm. For the turbulent features of the flow, the fluid model in both codes is described by RNG k-ϵ. The structural model is described, on the basis of the pipe material, by Elastic models or Hyperelastic Neo-Hookean models with Rayleigh damping properties. In order to describe the pulsatile fluid flow after the pumping process, the available data are often defective for the fluid problem. Engineering measurements are normally able to provide average pressure or velocity at a cross-section. This problem has been analyzed by McDonald's and Womersley's work for average pressure at fixed cross section by Fourier analysis since '50, while nowadays sophisticated techniques including Finite Elements and Finite Volumes exist to study the flow. Finally, we set up peristaltic pipe simulations in ABAQUS code, by using the same model previously tested for the fl uid and the structure.

Hydrostaattisen kuormituselementin parametrien vaikutus tehontarpeeseen

Työssä tutkitaan paperiteollisuuden käyttämän taipumakompensoidun telan hydrostaattisen kuormituselementin parametrien vaikutusta tehontarpeeseen ja kuormituselementin käyttäytymistä eri parametreilla. Työssä käsitellään hydrostaattisen kuormituselementin FE-laskennassa käytetyn mallinosien rakentaminen, kokoonpano ja teoria. Lisäksi analyyttinen laskenta esitetään lyhyesti. FE-laskennassa käytetään virtaus-rakenne -vuorovaikutusanalyysiä. Laskenta suoritetaan ANSYS/Flotran ohjelmistolla (versio 5.5). Hydrostaattisen kuormituselementin tehontarpeen vähentämiseen löytyi kolme tekijää. Suurimpana yksittäisenä tekijänä on elementin kitkapinta-alan pienentäminen, jolla saavutetaan 44 % kitkatehontarpeen pieneneminen. Seuraavaksi eniten vaikuttaa kitkatehontarpeeseen kuormituselementin muotoilu, jolla saavutetaan 20 % kitkatehontarpeen pieneneminen. Kolmantena tekijänä on viskositeetin pienentäminen, jolla suurimmillaan saavutetaan 15 % kitkatehontarpeen pieneneminen.

Vasicek interest rate model

Tässä tutkielmassa estimoidaan korkomallin parametrit Maximum likelihood metodilla sekä näytetään kuinka mallintaa lyhyen koron evoluutiota ja korkokäyrän rakennetta.

Riskivastuullisuus turvallisuuskasvatuksen kulttuurissa. Oppilaiden vastuullisuus, turvallisuustaju ja tuottamistoiminnan riskiraja peruskoulun käsityön opetuksessa

Riskit ja riskittömyys uhkaavat yksilöitä, käsityötä ja yhteiskuntaa. Käsityökasvatukselleon haaste toimia kulttuurissa, joka tavoittelee täyttä riskittömyyttä. Käsityössä kasvatetaan kekseliäisyyteen ja varautumaan sen aiheuttaman riskin kohtaamiseen sekä ottamaan siitä vastuuta. Tämän tutkimuksen tehtävänä on riskivastuullisuuden mallin rakentamiseksi selvittää, kuinka oppilaiden vastuullisuus selittää riskirajaa käsityön turvallisuuskasvatuksen kulttuurissa. Välinearvojen saavuttamiseksi on siedettävä välineriskiä, joka ei ylitä turvallisuuskulttuurin riskirajaa. Välinearvot ovat välineiden laatua lisääviä ominaisuuksia, joilla pyritään peittämään välineriskejä. Siedettävän riskin rajan ratkaisemiseen tarvitaan tietoa käsityön tuottamisesta ja todellisuutta havainnoivien tiedonalojen tietoa. Viime kädessä ratkaisu tehdään rakentavalla ajattelulla, johon kuuluu välinearvojen tavoittelua ohjaava käsityötaju ja välineriskeihin varautumista ohjaava turvallisuustaju. Käsityössä onnistuminen kannustaa kohti uusia haasteita ja epäonnistumisen riski asettuu mittasuhteisiinsa. Kekseliäässä käsityön kulttuurissa kokeillaan omia ja ympäröivän todellisuuden mahdollisuuksia ottamalla oivaltaen riskejä, jotka saavat aikaan rakentavan kokemuksen riskistä. Käsityö on riskioivallusten oppiaine. Tutkimustehtävän toteuttamiseksi tässä tutkimuksessa rakennetaan uusi riskivastuullisuuden malli, jossa vastuullisuus selittää riskirajaa. Mallin vastaavuutta selvitetään valtakunnallisesti peruskoulun käsityön 6. ja 9. luokan käsityön opetuksessa (n = 393). Aineisto on analysoitu rakenneyhtälöanalyysein konfirmatorisella faktorianalyysilla ja polkumallinnuksella. Tutkimusaineisto ja riskivastuullisuuden malli vastaavat toisiaan. Vastuullisuuden selitysosuus turvallisuustajun ja käsityötajun ratkaisemasta riskirajasta on mallin mukaan 35 %. Oppilaat osoittivat tuntevansa oman tuottamisensa vaikutuksia ja vastuuta niistä. Vastuullisuus osoittautui tärkeäksi riskirajan selittäjäksi, joten käsityön turvallisuuskasvatuksen kulttuuri voi kohota uudelle tasolle riskivastuulliseksi. Käsityön turvallisuuskasvatus on kokonaisvaltaista turvallisuustajun kasvatusta. Riskivastuullisuus luo turvallisuuskulttuuriin yhteisen käsityksen siedettävän riskin rajasta. Oppilaiden mahdollisuuksia kekseliääseen tutkivaan tuottamiseen on vahvistettava eikä rajoitettava. Riskivastuullisessa käsityön turvallisuuskasvatuksen kulttuurissa opettajan tehtävänä ei ole estää mitään tapahtumasta vaan saada mahdollisimman paljon tapahtumaan, sillä vastuullisuus kasvaa vastuuta ottamalla. Se on kasvatuksen – käsityökasvatuksen – keino turvallisuustyössä.

Mathematical modeling and optimal control of malaria

Malaria continues to infect millions and kill hundreds of thousands of people worldwide each year, despite over a century of research and attempts to control and eliminate this infectious disease. Challenges such as the development and spread of drug resistant malaria parasites, insecticide resistance to mosquitoes, climate change, the presence of individuals with subpatent malaria infections which normally are asymptomatic and behavioral plasticity in the mosquito hinder the prospects of malaria control and elimination. In this thesis, mathematical models of malaria transmission and control that address the role of drug resistance, immunity, iron supplementation and anemia, immigration and visitation, and the presence of asymptomatic carriers in malaria transmission are developed. A within-host mathematical model of severe Plasmodium falciparum malaria is also developed. First, a deterministic mathematical model for transmission of antimalarial drug resistance parasites with superinfection is developed and analyzed. The possibility of increase in the risk of superinfection due to iron supplementation and fortification in malaria endemic areas is discussed. The model results calls upon stakeholders to weigh the pros and cons of iron supplementation to individuals living in malaria endemic regions. Second, a deterministic model of transmission of drug resistant malaria parasites, including the inflow of infective immigrants, is presented and analyzed. The optimal control theory is applied to this model to study the impact of various malaria and vector control strategies, such as screening of immigrants, treatment of drug-sensitive infections, treatment of drug-resistant infections, and the use of insecticide-treated bed nets and indoor spraying of mosquitoes. The results of the model emphasize the importance of using a combination of all four controls tools for effective malaria intervention. Next, a two-age-class mathematical model for malaria transmission with asymptomatic carriers is developed and analyzed. In development of this model, four possible control measures are analyzed: the use of long-lasting treated mosquito nets, indoor residual spraying, screening and treatment of symptomatic, and screening and treatment of asymptomatic individuals. The numerical results show that a disease-free equilibrium can be attained if all four control measures are used. A common pitfall for most epidemiological models is the absence of real data; model-based conclusions have to be drawn based on uncertain parameter values. In this thesis, an approach to study the robustness of optimal control solutions under such parameter uncertainty is presented. Numerical analysis of the optimal control problem in the presence of parameter uncertainty demonstrate the robustness of the optimal control approach that: when a comprehensive control strategy is used the main conclusions of the optimal control remain unchanged, even if inevitable variability remains in the control profiles. The results provide a promising framework for the design of cost-effective strategies for disease control with multiple interventions, even under considerable uncertainty of model parameters. Finally, a separate work modeling the within-host Plasmodium falciparum infection in humans is presented. The developed model allows re-infection of already-infected red blood cells. The model hypothesizes that in severe malaria due to parasite quest for survival and rapid multiplication, the Plasmodium falciparum can be absorbed in the already-infected red blood cells which accelerates the rupture rate and consequently cause anemia. Analysis of the model and parameter identifiability using Markov chain Monte Carlo methods is presented.

Accuracy improvement of a demand forecasting model

This research concerns different statistical methods that assist to increase the demand forecasting accuracy of company X’s forecasting model. Current forecasting process was analyzed in details. As a result, graphical scheme of logical algorithm was developed. Based on the analysis of the algorithm and forecasting errors, all the potential directions for model future improvements in context of its accuracy were gathered into the complete list. Three improvement directions were chosen for further practical research, on their basis, three test models were created and verified. Novelty of this work lies in the methodological approach of the original analysis of the model, which identified its critical points, as well as the uniqueness of the developed test models. Results of the study formed the basis of the grant of the Government of St. Petersburg.

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Discovering New Markets for an Industrial Product – International Market Selection Approach

Tämän tutkielman tavoitteena oli määrittää uuden markkinan valinnan perusteita teolliselle tuotteelle. Tutkielma keskittyi jo tunnettuihin kansainvälisen markkinavalinnan lähestymistapoihin ja pyrki soveltamaan yhtä menetelmää käytäntöön tutkielman empiria osassa case-tutkimuksen avulla. Tutkimusote oli tutkiva, eksploratiivinen ja perustui sekundääri analyysiin. Käytetyt tiedon lähteet olivat suureksi osin sekundäärisiä tuottaen kvalitatiivista tietoa. Kuitenkin haastatteluita suoritettiin myös. Kattava kirjallisuus katsaus tunnetuista teoreettisista lähestymistavoista kansainväliseen markkinavalintaan oli osa tutkielmaa. Kolme tärkeintä lähestymistapaa esiteltiin tarkemmin. Yksi lähestymistavoista, ei-järjestelmällinen, muodosti viitekehyksen tutkielman empiria-osalle. Empiria pyrki soveltamaan yhtä ei-järjestelmällisen lähestymistavan malleista kansainvälisessä paperiteollisuudessa. Tarkoituksena oli tunnistaa kaikkein houkuttelevimmat maat mahdollisille markkinointitoimenpiteille tuotteen yhdellä loppukäyttöalueella. Tutkielmassa päädyttiin käyttämään ilmastollisia olosuhteita, siipikarjan päälukua sekä siipikarjan kasvuprosenttia suodattimina pyrittäessä vähentämään mahdollisten maiden lukumäärää. Tutkielman empiria-osa kärsi selkeästi relevantin tiedon puutteesta. Siten myös tutkielman reliabiliteetti ja validiteetti voidaan jossain määrin kyseenalaistaa.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Paperirullan kannatushihnan kestoiän pidentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää kannatushihnapituusleikkurissa paperin rullaukseen käytettävän kannatushihnan kestoikään vaikuttavia tekijöitä ja ratkaisuja liian lyhyeen kestoikään liittyviin ongelmiin. Työssä selvitettiin ensin kannatushihnatyyppisen pituusleikkurin toimintaa ja tarkemmin sen rullausosaa ja rullausprosessin parametreja. Kannatushihnan kestoikään vaikuttavia tekijöitä on käsitelty kirjallisuuden ja kohdeyrityksessä olevan materiaalin perusteella. Seuraavaksi esitettiin ideoita kannatushihnan rakenteesta ja materiaaleista sekä vertailtiin niitä keskenään ja nykyiseen hihnan rakenteeseen. Työssä tehtiin nykyistä kannatushihnaa simuloiva kaksiulotteinen elementtimalli. Tämän elementtimallin mukaan pituusleikkurin telojen suunnassa epätasainen hihnan kuluminen johtuu hihnan paksuussuuntaisten jännitysten eroista. Hihnan kulkua arvioitiin kokeellisesti kahdella erityyppisellä hihnalla. Hihnan kulkuun eniten vaikutti esikiristysvoima, jota pienennettäessä kehänopeusero paperirullaa simuloivan kuormittavan telan ja hihnatelan välillä pieneni. Työssä löydettiin mahdollinen yhteys rullauksessa tulostietona saatavan datan sekä hihnan geometrian välille. Polyeteenivaahtomuovit ovat kitkansa puolesta lupaavia hihnan kitkapinnoitteen materiaaliksi. Toisaalta polyeteenivaahtomuovien mekaanisia ominaisuuksia ei juuri tunneta, eikä niitä ole käytetty kulutuskestoa vaativissa sovelluksissa. Hihnan ulkopinnan kulumismekanismia ei täysin tunneta.