Design of experiments to study the impact of process parameters on droplet size and development of non-invasive imaging techniques in tablet coating

Atomisation of an aqueous solution for tablet film coating is a complex process with multiple factors determining droplet formation and properties. The importance of droplet size for an efficient process and a high quality final product has been noted in the literature, with smaller droplets reported to produce smoother, more homogenous coatings whilst simultaneously avoiding the risk of damage through over-wetting of the tablet core. In this work the effect of droplet size on tablet film coat characteristics was investigated using X-ray microcomputed tomography (XμCT) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). A quality by design approach utilising design of experiments (DOE) was used to optimise the conditions necessary for production of droplets at a small (20 μm) and large (70 μm) droplet size. Droplet size distribution was measured using real-time laser diffraction and the volume median diameter taken as a response. DOE yielded information on the relationship three critical process parameters: pump rate, atomisation pressure and coating-polymer concentration, had upon droplet size. The model generated was robust, scoring highly for model fit (R2 = 0.977), predictability (Q2 = 0.837), validity and reproducibility. Modelling confirmed that all parameters had either a linear or quadratic effect on droplet size and revealed an interaction between pump rate and atomisation pressure. Fluidised bed coating of tablet cores was performed with either small or large droplets followed by CLSM and XμCT imaging. Addition of commonly used contrast materials to the coating solution improved visualisation of the coating by XμCT, showing the coat as a discrete section of the overall tablet. Imaging provided qualitative and quantitative evidence revealing that smaller droplets formed thinner, more uniform and less porous film coats.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Optimization of the Ion Source-Mass Spectrometry Parameters in Non-Steroidal Anti-Inflammatory and Analgesic Pharmaceuticals Analysis by a Design of Experiments Approach

The flow rates of drying and nebulizing gas, heat block and desolvation line temperatures and interface voltage are potential electrospray ionization parameters as they may enhance sensitivity of the mass spectrometer. The conditions that give higher sensitivity of 13 pharmaceuticals were explored. First, Plackett-Burman design was implemented to screen significant factors, and it was concluded that interface voltage and nebulizing gas flow were the only factors that influence the intensity signal for all pharmaceuticals. This fractionated factorial design was projected to set a full 2(2) factorial design with center points. The lack-of-fit test proved to be significant. Then, a central composite face-centered design was conducted. Finally, a stepwise multiple linear regression and subsequently an optimization problem solving were carried out. Two main drug clusters were found concerning the signal intensities of all runs of the augmented factorial design. p-Aminophenol, salicylic acid, and nimesulide constitute one cluster as a result of showing much higher sensitivity than the remaining drugs. The other cluster is more homogeneous with some sub-clusters comprising one pharmaceutical and its respective metabolite. It was observed that instrumental signal increased when both significant factors increased with maximum signal occurring when both codified factors are set at level +1. It was also found that, for most of the pharmaceuticals, interface voltage influences the intensity of the instrument more than the nebulizing gas flowrate. The only exceptions refer to nimesulide where the relative importance of the factors is reversed and still salicylic acid where both factors equally influence the instrumental signal. Graphical Abstract ᅟ.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Testing Nelder-Mead based repulsion algorithms for multiple roots of nonlinear systems via a two-level factorial design of experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Bayesian L-optimal exact design of experiments for biological kinetic models

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optimum design of experiments for statistical inference

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

An evolutionary approach to the design of experiments for combinatorial optimization with an application to enzyme engineering

In a large number of problems the high dimensionality of the search space, the vast number of variables and the economical constrains limit the ability of classical techniques to reach the optimum of a function, known or unknown. In this thesis we investigate the possibility to combine approaches from advanced statistics and optimization algorithms in such a way to better explore the combinatorial search space and to increase the performance of the approaches. To this purpose we propose two methods: (i) Model Based Ant Colony Design and (ii) Naïve Bayes Ant Colony Optimization. We test the performance of the two proposed solutions on a simulation study and we apply the novel techniques on an appplication in the field of Enzyme Engineering and Design.

The implementation of a design of experiments strategy to increase recombinant protein yields in yeast (review)

Biological processes are subject to the influence of numerous factors and their interactions, which may be non-linear in nature. In a recombinant protein production experiment, understanding the relative importance of these factors, and their influence on the yield and quality of the recombinant protein being produced, is an essential part of its optimisation. In many cases, implementing a design of experiments (DoE) approach has delivered this understanding. This chapter aims to provide the reader with useful pointers in applying a DoE strategy to improve the yields of recombinant yeast cultures.

The implementation of a design of experiments strategy to increase recombinant protein yields in yeast (review)

Biological processes are subject to the influence of numerous factors and their interactions, which may be non-linear in nature. In a recombinant protein production experiment, understanding the relative importance of these factors, and their influence on the yield and quality of the recombinant protein being produced, is an essential part of its optimisation. In many cases, implementing a design of experiments (DoE) approach has delivered this understanding. This chapter aims to provide the reader with useful pointers in applying a DoE strategy to improve the yields of recombinant yeast cultures.

Design of experiments to optimized the determination of TDIs in agglomerated cork stoppers

Isocyanates are included into a class with an extreme commercial importance because their use in the manufacture of polyurethanes. Polyurethanes are used in several applications such as adhesives, coatings, foams, thermoplastics resins, printing inks, foundry moulds and rubbers. Agglomerated cork stoppers are currently used for still wines, semi-sparkle and gaseous wines, beer and cider. Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is presently the isocyanate used in the production of polyurethane based adhesive in use due to its lowest toxicity comparing with toluene diisocyanate (TDI) previously employed. However, free monomeric TDI or MDI, depending on the based polyurethane, can migrate from agglomerated cork stoppers to beverages therefore it needs to be under control. The presence of these compounds are usually investigated by HPLC with Fluorescence or UV-Vis detector depending on the derivatising agent. Ultra Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detector (UPLC-DAD) method is replacing HPLC. The objective of this study is to determine which method is better to analyze isocyanates from agglomerated cork stoppers, essentially TDI to quantify its monomer. A Design of Experiments (DOE) with three factors, column temperature, flow and solvent, at two levels was done. Eight experiments with three replications and two repetitions were developed. Through an ANOVA the significance of the factors was evaluated and the best level’s factors were selected. As the TDI has two isomers and in this method these two isomers were not always separated an ANOVA with results of resolution between peaks was performed. The Design of Experiments reveals to be a suitable statistical tool to determine the best conditions to quantified free isocyanates from agglomerated cork stoppers to real foodstuff. The best level’s factors to maximize area was column temperature at 30ºC, flow to 0,3 mL/min and solvent 0,1% Ammonium Acetate, to maximize resolution was the same except the solvent that was 0,01% Ammonium Acetate.

Design of 1D and 2D molecule-based magnets with the ligand 4,5-dimethyl-1,2-phenylenebis(oxamato)

Three new bimetallic oxamato-based magnets with the proligand 4,5-dimethyl-1,2-phenylenebis-(oxamato) (dmopba) were synthesized using water or dimethylsulfoxide (DMSO) as solvents. Single crystal X-ray diffraction provided structures for two of them: [MnCu(dmopba)(H(2)O)(3)]n center dot 4nH(2)O (1) and [MnCu(dmopba)(DMSO)(3)](n center dot)nDMSO (2). The crystalline structures for both 1 and 2 consist of linearly ordered oxamato-bridged Mn(II)Cu(II) bimetallic chains. The magnetic characterization revealed a typical behaviour of ferrimagnetic chains for 1 and 2. Least-squares fits of the experimental magnetic data performed in the 300-20 K temperature range led to J(MnCu) = -27.9 cm(-1), g(Cu) = 2.09 and g(Mn) = 1.98 for 1 and J(MnCu) = -30.5 cm(-1), g(Cu) = 2.09 and g(Mn) = 2.02 for 2 (H = -J(MnCu)Sigma S(Mn, i)(S(Cu, i) + S(Cu, i-1))). The two-dimensional ferrimagnetic system [Me(4)N](2n){Co(2)[Cu(dmopba)](3)}center dot 4nDMSO center dot nH(2)O (3) was prepared by reaction of Co(II) ions and an excess of [Cu(dmopba)](2-) in DMSO. The study of the temperature dependence of the magnetic susceptibility as well as the temperature and field dependences of the magnetization revealed a cluster glass-like behaviour for 3.

Smart interior design of buildings and its relationship to land use

Architectural design is often associated with aesthetics and style, but it is also very important to building performance and sustainability. There are some studies associating architectural design to the choice for materials from sustainable sources, to indoor air quality, to energy efficiency and productivity. This article takes a step further to analyse how the use of efficient interior design techniques can impact the habitable space in order to improve building sustainability in land use. Smart interior design, a current trend related to the use of efficient and flexible furniture and movable walls in tiny or compact apartments, is analysed. A building with a standard design is used as a case study reference building and compared to a proposed theoretical design alternative using smart interior design techniques. In order to correctly assess sustainability performance, a quantifiable and verified method is used. Results showed that the use of smart interior design techniques can greatly reduce buildingsâ impact on the environment.

Ingeniería de glicanos: diseño de inmunógenos y ligandos de lectinas. Glycan engineering: design of immunogens and ligand of lectins.

La ingeniería de glicanos es un área de investigación emergente, la que posee múltiples aplicaciones en medicina. Mediante esta herramienta se intentará reducir la flexibilidad de las uniones glicosídicas de antígenos tumorales, como la del antígeno T (Galbeta3GalNAcalfa-Ser/Thr). Aquí se realizarán las menores alteraciones posibles en la topología de glicanos que generen la mejor respuesta inmune hacia el antígeno de interés. Por otra parte, se buscará ligandos de alta afinidad que interaccionen con lectinas involucradas en diseminación de metástasis. Mediante ensayos teóricos de Docking se tratará de hallar modificaciones topológicas de glicanos que potencialmente tengan propiedades anti-adhesivas para células tumorales. Este proyecto constará de tres etapas: una teórica, utilizando programas de cálculos para ensayos de Docking y mínimos energéticos de glicanos. Otra de síntesis, generando los glicoconjugados sugeridos en la etapa anterior. En la última, se verificará si estos glicanos rediseñados adquirieron las propiedades biológicas deseadas. Así se determinará si generan una respuesta inmune que reconozca antígenos y células tumorales. También, se analizarán las propiedades anti-adhesivas de los glicanos utilizando diferentes modelos experimentales. Finalmente, se determinará si los inmunógenos producidos y/o glicoconjugados rediseñados poseen efecto en el desarrollo tumoral y sobrevida animal.