Experimental design methodologies for the identification of Michaelis-Menten type kinetics

The main objective of this work was to investigate the application of experimental design techniques for the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters. More specifically, this study attempts to elucidate the relative advantages/disadvantages of employing complex experimental design techniques in relation to equidistant sampling when applied to different reactor operation modes. All studies were supported by simulation data of a generic enzymatic process that obeys to the Michaelis-Menten kinetic equation. Different aspects were investigated, such as the influence of the reactor operation mode (batch, fed-batch with pulse wise feeding and fed-batch with continuous feeding) and the experimental design optimality criteria on the effectiveness of kinetic parameters identification. The following experimental design optimality criteria were investigated: 1) minimization of the sum of the diagonal of the Fisher information matrix (FIM) inverse (A-criterion), 2) maximization of the determinant of the FIM (D-criterion), 3) maximization of the smallest eigenvalue of the FIM (E-criterion) and 4) minimization of the quotient between the largest and the smallest eigenvalue (modified E-criterion). The comparison and assessment of the different methodologies was made on the basis of the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) error in respect to the parameters vmax and Km of the Michaelis-Menten kinetic equation. In what concerns the reactor operation mode, it was concluded that fed-batch (pulses) is better than batch operation for parameter identification. When the former operation mode is adopted, the vmax CRLB error is lowered by 18.6 % while the Km CRLB error is lowered by 26.4 % when compared to the batch operation mode. Regarding the optimality criteria, the best method was the A-criterion, with an average vmax CRLB of 6.34 % and 5.27 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively, while presenting a Km’s CRLB of 25.1 % and 18.1 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively. As a general conclusion of the present study, it can be stated that experimental design is justified if the starting parameters CRLB errors are inferior to 19.5 % (vmax) and 45% (Km), for batch processes, and inferior to 42 % and to 50% for fed-batch (pulses) process. Otherwise equidistant sampling is a more rational decision. This conclusion clearly supports that, for fed-batch operation, the use of experimental design is likely to largely improve the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters.

Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

A equidade na indeminização dos danos não patrimoniais

This study examines the quantification of compensation for non-pecuniary damage, awarded by means of judicial decisions based on equity, and seeks to verify whether such calculation safeguards legal certainty and predictability when applying the law, as well as whether it observes the principles of proportionality and equality. Firstly, the limits for discretionary judgment permitted to the judge were determined, by evaluating the criteria established under the law. Then, by examining the grounds of the judicial decisions in cases that had been selected beforehand, this study sought to detect operation modes in concrete considerations of equity used by judges. The examination of the grounds on which these judicial decisions are based permitted the comprehension of the calculation method used in each case and the observation that the criteria of compensatory nature, such as the extent of the damage and the respective consequences, assumed a primary role. Despite discrepancies in viewpoints with regard to certain issues of law, the jurisprudence examined reveals that great care is taken to consider the solutions reached in similar cases, in an attempt to ensure that the different criteria applied in the quantification of compensation are given uniform relevance. The comparison of decisions, reported to cases with similar legal contours, did not reveal relevant discrepancies in the calculation criteria used, nor are they disproportionate regarding the amount of compensation awarded, which means that resorting to equity, in determining the compensation to be awarded due to nonpecuniary damage, does not jeopardize legal certainty or predictability when applying the law, and observes the principle of proportionality, which is anchored in the constitutional principle of equality. The study performed, led to the conclusion that the grounds on which judicial decisions are based, by itemising the elements which are taken into account and the criteria adopted by the judge, allow these to be taken into consideration in similar cases, contributing towards uniform interpretation and application of the law, ensuring legal certainty and predictability when resorting to equity while quantifying compensation.

A novel architecture of a bidirectional bridgeless interleaved converter for EV battery chargers

This paper presents a novel architecture of a bidirectional bridgeless interleaved converter for battery chargers of electric vehicles (EVs). The proposed converter is composed by two power stages: an ac-dc converter that is used to interface the power grid and the dc-link, and a dc-dc converter that is used to interface the dc-link and the batteries. The ac-dc converter is an interleaved bridgeless bidirectional boost-type converter and the dc-dc converter is a bidirectional buck-boost-type converter. The proposed converter works with sinusoidal grid current and with high power factor for all operating power levels, and in both grid-to-vehicle (G2V) and vehicle-to-grid (V2G) operation modes. In the paper is described in detail the proposed converter for EV battery chargers: the circuit topology, the principle of operation, the power control theory, and the current control strategy. Several simulation results for both G2V and V2G operation modes are presented.

Bidirectional battery charger with grid-to-vehicle, vehicle-to-grid and vehicle-to-home technologies

This paper presents the development of na on-board bidirectional battery charger for Electric Vehicles (EVs) targeting Grid-to-Vehicle (G2V), Vehicle-to-Grid (V2G), and Vehicle-to-Home (V2H) technologies. During the G2V operation mode the batteries are charged from the power grid with sinusoidal current and unitary power factor. During the V2G operation mode the energy stored in the batteries can be delivered back to the power grid contributing to the power system stability. In the V2H operation mode the energy stored in the batteries can be used to supply home loads during power outages, or to supply loads in places without connection to the power grid. Along the paper the hardware topology of the bidirectional battery charger is presented and the control algorithms are explained. Some considerations about the sizing of the AC side passive filter are taken into account in order to improve the performance in the three operation modes. The adopted topology and control algorithms are accessed through computer simulations and validated by experimental results achieved with a developed laboratory prototype operating in the different scenarios.

Digital beamforming and moving target indication for future spaceborne synthetic aperture radar

During the last decade the interest on space-borne Synthetic Aperture Radars (SAR) for remote sensing applications has grown as testified by the number of recent and forthcoming missions as TerraSAR-X, RADARSAT-2, COSMO-kyMed, TanDEM-X and the Spanish SEOSAR/PAZ. In this sense, this thesis proposes to study and analyze the performance of the state-of-the-Art space-borne SAR systems, with modes able to provide Moving Target Indication capabilities (MTI), i.e. moving object detection and estimation. The research will focus on the MTI processing techniques as well as the architecture and/ or configuration of the SAR instrument, setting the limitations of the current systems with MTI capabilities, and proposing efficient solutions for the future missions. Two European projects, to which the Universitat Politècnica de Catalunya provides support, are an excellent framework for the research activities suggested in this thesis. NEWA project proposes a potential European space-borne radar system with MTI capabilities in order to fulfill the upcoming European security policies. This thesis will critically review the state-of-the-Art MTI processing techniques as well as the readiness and maturity level of the developed capabilities. For each one of the techniques a performance analysis will be carried out based on the available technologies, deriving a roadmap and identifying the different technological gaps. In line with this study a simulator tool will be developed in order to validate and evaluate different MTI techniques in the basis of a flexible space-borne radar configuration. The calibration of a SAR system is mandatory for the accurate formation of the SAR images and turns to be critical in the advanced operation modes as MTI. In this sense, the SEOSAR/PAZ project proposes the study and estimation of the radiometric budget. This thesis will also focus on an exhaustive analysis of the radiometric budget considering the current calibration concepts and their possible limitations. In the framework of this project a key point will be the study of the Dual Receive Antenna (DRA) mode, which provides MTI capabilities to the mission. An additional aspect under study is the applicability of the Digital Beamforming on multichannel and/or multistatic radar platforms, which conform potential solutions for the NEWA project with the aim to fully exploit its capability jointly with MTI techniques.

Atomic force microscopy: probing the nanoworld

Atomic Force Microscope and related techniques have played a key role in the development of the nanotechnology revolution that is taking place in science. This paper reviews the basic principles behind the technique and its different operation modes and applications, pointing out research worksperformed in the Nanometric Techniques Unit of the CCiTUB in order to exemplify the vast array of capabilities of these instruments.

Valutoimitusprosessin ohjattavuuden kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli Karhulanvalimon valutoimitusprosessin ohjattavuuden kehittäminen. Asiakastyytyväisyyskyselyin on selvitetty valutoimitusprosessin nykytilaa ja kartoitettu kehityskohteita. Keskeisiksi kehityskohteiksi muodostuivat toimituskyvyn ja läpäisyajan kehittäminen. Kohdeyritystä on tutkittu ohjattavuusanalyysillä. Ohjattavuus analyysin perusteella parannuksen painopisteet suuntautuvat toimituskyvyn j a kapasiteetin hallinnan kehittämiseen. Työn keskeisiin aiheisiin liittyen on luotu kirjallisuuteen perustuva katsaus. Tärkeimpiä aihealueita ovat ohjattavuusanalyysi, varastojen hallinta ja tuotannon virtautus. Ennen varsinaisia kehitystoimenpiteitä on pyritty saamaan tietoa tämänhetkisen toiminnan tasosta ja pyritty löytämään parhaita toimintatapoja benchmarking-tyylistä toimintamallia soveltaen. Varastojen hallinnan kehittämistä työssä on lähestytty käytännönläheisesti. Varastoanalyyseihin perustuen on suoritettu kehitystoimenpiteitä ja luotu suunnitelmia sekä esitetty ehdotuksia varastojen hallinnan kehittämiseksi. Työssä on myös pyritty analysoimaan yksittäisiä tuotannon ohjattavuuden ongelmia ja pyritty näiden poistamiseen. Mikäli ohjattavuusongelman välitönpoistaminen ei ole mahdollista, on ongelmiin esitetty kehitysehdotuksia. Työssä on luotu suunnitelma läpäisyajan lyhentämiseksi tuotannon virtauttamiseen perustuen. Virtautuksessa on huomioitava materiaalien ja nimikkeiden suuri määrä, tuotannon layout ja tuotantovälineiden aiheuttamat rajoitukset. Layoutin muutostyössä on pyrittävä tiiviyteen. Diplomityön loppuosassa on tutkittu mahdollisuuksia Karhulan valimon ja sen pääasiakkaiden varastojen pienentämiseksi ja toiminnan kehittämiseksi toimituskykyä ja läpäisyaikaa vaarantamatta. Varastojen analysoinnin perusteella onmallinnettu varastoinnin taloudellista säästöpotentiaalia, vertailtu vaihtoehtoisia toimintamalleja ja esitetty kehitysehdotus sekä välttämättömiä toimenpiteitä varastoinnin kehittämiseksi.

Kulutusosapalvelun hinnoittelumallin kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee paperikoneiden kulutusosapalvelua tarjoavan yrityksen hinnoittelumallin kehittämistä haastavassa toimintaympäristössä, jossa kilpailu on kiristynyt ja asiakkaat ovat muuttuneet entistä hintatietoisemmiksi. Työn tavoitteena on kehittää kulutusosapalvelulle hinnoittelumalli ja pohtia ¤/tuotettu paperitonni (¤/tonni)-hinnoittelun soveltuvuutta paperikoneiden kulutusosapalvelua toimittaville yrityksille. ¤/tonni-hinnoittelussalähtökohta on asiakkaalle tuotettu hyöty; kuinka paljon paperia kulutusosilla pystytään tuottamaan. ¤/tonni-hinnoittelua tarkastellaan tarkemmin esimerkkiasiakkaiden avulla, joiden tehtailla toimintatavat kulutusosapalveluun liittyen vaihtelevat. Tavoitteena on selvittää kulutusosapalvelun ¤/tonni-kustannukset eri toimintatavoissa kulutusosapalveluita tarjoavan yrityksen sekä asiakkaan näkökulmasta. Työssä selvitetään kuinka eri toimintatapojen ja asiakkaiden kannattavuus vaihtelee kulutusosapalveluita tarjoavan yrityksen kannalta, jamikä toimintamalli on edullisin asiakkaan kannalta. Kehitettävän hinnoittelumallin avulla analysoidaan, kuinka paljon hyötyä kulutusosapalveluita tarjoava yritys tarjoaa asiakkailleen palveluillaan. Kulutusosapalvelu jaetaan kolmeen selvitettävään kustannuskomponenttiin; kulutusosa-, logistiikka- ja laadun puutekustannuksiin. Työn teoreettinen osa koostuu kirjallisuustutkimuksesta liittyen hinnoitteluun, hinnoittelumalleihin ja hinnoittelusopimuksiin. Työnempiirinen osa perustuu haastatteluihin ja sisäisten tietojärjestelmien tietoihin. Kirjallisuustutkimuksen, haastattelujen ja kohdeyrityksen sisäisen materiaalin avulla mallinnetaan loogismatemaattisesti taulukkolaskentasovellus, ¤/tonni-hinnoittelumalli. Työn keskeiset tulokset liittyvät siihen, mitä asioita tulee huomioida ¤/tonni-hinnoittelusopimusta asiakkaan kanssa tehtäessä, miten ¤/tonni-kustannukset vaihtelevat eri toimintavoissa ja kuinka hinnoittelumallin kehittämistä kannattaa edelleen jatkaa.

Development of Special Pumps Repair Process

Tässä diplomityössä käsitellään erikoispumppujen korjausprosessia teollisuuspumppujen korjauksiin erikoistuneessa konepajassa. Työn pääasiallinen tarkoitus on tuotantoprosessin kehittäminen ja tuotantovaiheiden esitteleminen. Tavoitteen taustalla on pyrkimys entisestään parantaa palvelukykyä ja asiakastyytyväisyyttä.Kolme eri keinoa päätavoitteen saavuttamiseksi ovat tuotannon suunnittelun ja ohjauksen kehittäminen, työssä käsiteltyjen pumpputyyppien korjausprosessien läpäisyaikojen lyhentäminen sekä korjausvaiheiden määrittely ja esittely vaihe vaiheelta. Työssä käsiteltyjä erikoispumpputyyppejä ovat imupumput, monijaksopumput sekä pysty/potkuripumput.Tuotannonsuunnittelun ja -ohjauksen kehittämiseksi sekä läpäisyaikojen lyhentämiseksi työssä etsittiin vaihtoehtoisia toimintatapoja. Kolmas tavoite, eli korjausvaiheiden määrittely, toteutettiin esittelemällä korjausprosessin vaiheet käsitellyillä pumpputyypeillä.Tuloksena saatiin keinoja tuotannon suunnittelun ja hallinnan kehittämiseksi. Useimmat keinot koskevat toimintatapojen selkiyttämistä. Myös keinoja läpäisyaikojen lyhentämiseksi löydettiin. Tietyllä imupumpputyypillä ja -koolla läpäisyajan lyheneminen oli 25 % ja osalla monijaksopumpuista jopa 75 %. Tulokset saavutetaan varastoimalla tiettyjä komponentteja, joilla on pitkä valmistus- tai korjausaika. Pysty/potkuripumppujen korjauksen läpäisyaikaa ei saatu lyhennettyä työn rajausten puitteissa Näiden tulosten lisäksi korjausprosessin toimintatavat määriteltiin.

Liikkeenjohdon konsultoinnin suomalaisten erityisosaajien konsultointitavat

Tutkielman tavoitteena oli selvittää millaisia työ- ja toimintatapoja suomalaisilla CMC-konsulteilla (Certified Management Consultant) on ja miten työ- ja toimintatavat on jäsennetty konsultointia varten. Tutkielman kirjallisuuskatsauksen tavoitteena oli lisätä tietämystä liikkeenjohdon konsultoinnista ja konsultointitapojen jaotteluista. Empiriaosan tavoitteena oli kerätä CMC-konsulttien kertomuksia omasta toiminnastaan ja muodostaa näiden kertomusten pohjalta käsitys CMC-konsulttien konsultointitavoista. Tutkimuksessa on käytetty laadullista tutkimusotetta. Tämä tutkimusote sopii hyvin konsultointitapojen erojen ja yhtäläisyyksien selvittämiseen. Tutkimuksen empiirinen aineisto kerättiin käyttämällä puolistrukturoitua haastattelua. Aineisto sisältää 21 konsultin haastattelut sekä yhdet kirjalliset vastaukset. Empiirisen aineiston analysoinnissa käytettiin tyypittelyä. Tyypittelyssä aineisto ryhmitellään perustyypeiksi etsimällä aineistosta eroja ja samankaltaisuuksia. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin konsulttien kertomusten perusteella viisi konsulttityyppiä eli konsultointitapaa. Konsulttityyppien ryhmittelyssä kriteereinä käytettiin toiminnan tuotteistusastetta sekä keskittymistä eri asiakaskuntiin. Tulosten perusteella voidaan todeta, että suomalaisilla CMC-konsulteilla on erilaisia konsultointitapoja, jotka kaikki ovat käytännössä toimivia.

Kilpailukyvyn kehittäminen yritystenvälisen yhteistyön avulla. Case: Etelä-Karjalan metsäteollisuus ja pk-sektori

Tutkimuksen tarkastelukohteena oli yritystenvälinen yhteistyö ja yritysten kilpailukyvyn kehittäminen Etelä-Karjalan maakunnassa tämän yhteistyön avulla. Tutkimuksessa hyödynnettiin konstruktiivista ja käsiteanalyyttista tutkimusotetta. Päätavoitteena oli selvittää kuinka Etelä-Karjalassa toimivan suuren metsäteollisuuden alihankintojen paikallisuusastetta voitaisiin lisätä tulevaisuudessa. Keskeisinä alatavoitteina tutkimuksessa oli selvittää alueen suuren metsäteollisuuden merkitystä alueen muille toimialoille sekä tutkia mitä yritystenvälisiä yhteistyömuotoja on käytössä tällä hetkellä Etelä-Karjalan maakunnassa. Tutkielma jakaantui teoreettiseen ja empiiriseen osaan. Teoriaosassa muodostettiin viitekehys yritystenvälisen yhteistyön ymmärtämiseksi ja erilaisten yritystenvälisten yhteistyömuotojen jaottelemiseksi. Työn empiirisessä osassa tätä viitekehystä hyödynnettiin kysely- ja haastattelututkimuksen pohjana. Tutkimustulosten joukossa korostui yritystenvälisen yhteistyön merkitys alueen suuryritysten alihankintojen paikallisuusasteen lisäämisessä. Lisäksi yritystenvälisen yhteistyön nähtiin lisäävän yritysten kilpailukykyä varsin laaja-alaisesti tutkimuspopulaation joukossa. Erityisen hyödyllisiksi yritykset näkivät yhteistyömuodot, joissa toiminta perustui pitkäjänteisyyteen ja yhteisen hyödyn tavoitteluun.

Eletrocromatografia capilar: contextualização, estado da arte e perspectivas

Capillary electrochromatography (CEC) is a separation technique in which the mobile phase flow is based on the application of a voltage across a packed capillary, which generates an electroosmotic flow that transports the analytes along the capillary toward the detector. As it combines the separation mechanisms of high-performance liquid chromatography (HPLC) and of capillary electrophoresis (CE), CEC can be considered a hybrid of HPLC and CE. This review presents some fundamental aspects of CEC and is focused on the instrumental advances of the technique, such as column technology, operation modes and detection systems, presenting recent papers on these topics and some applications and perspectives about CEC.

Virtaviivainen hankintatoimi osana tuotantoprosessia

Tutkimuksessa on pyritty löytämään tuotantoprosessin läpimenoa haittaavia ohjaus- ja toimintatapoja sekä tiedonkulusta aiheutuvia ongelmia. Tutkimuksen tavoitteena on saada toimittajien, hankintatoimen ja tuotannon logistinen arvoverkko toimimaan virtaviivaisesti. Työssä on käytetty teoriaosassa kirjallisuustutkimusta ja empiirisessä osassa toimintatutkimusta. Nykytilan selvityksessä tutkittiin prosessin tieto- ja materiaalivirrat sekä mitkä ovat tärkeimmät toiminnot toimitusketjussa. Tutkimuksen ja prosessianalyysin pohjalta määriteltiin kehitysehdotukset prosessin toimintojen tehostamiseksi. Nykytilan kartoituksessa ilmeni suurimmiksi ongelmiksi logistiikka prosessissa voimakkaan kysynnän kasvusta aiheutuvat komponenttien ja raaka-aineiden saatavuusongelmat sekä pudonneen kysynnän seurauksena varastoihin sitoutunut ylimääräinen vaihto-omaisuus. Tutkimuksen tuloksena syntyi kehitysehdotuksia, joiden pohjalta uudistettavaan toiminnanohjausjärjestelmään voitaneen toteuttaa johtopäätöksissä ilmenevät asiat, joista merkityksellisin on myynnin ennustamisvastuun siirtäminen myynnistä tulosvastuussa oleville henkilöille.

Simulation of hydrogen peroxide direct synthesis in a microreactor

A set of models in Aspen plus was built to simulate the direct synthesis process of hydrogen peroxide in a micro-reactor system. This process model can be used to carry out material balance calculation under various experimental conditions. Three thermodynamic property methods were compared by calculating gas solubility and Uniquac-RK method was finally selected for process model. Two different operation modes with corresponding operation conditions were proposed as the starting point of future experiments. Simulations for these two modes were carried out to get the information of material streams. Moreover, some hydrodynamic parameters such as gas/liquid superficial velocity, gas holdup were also calculated with improved process model. These parameters proved the proposed experimental conditions reasonable to some extent. The influence of operation conditions including temperature, pressure and circulation ratio was analyzed for the first operation mode, where pure oxygen was fed into dissolving tank and hydrogen-carbon dioxide mixture was fed into microreactor directly. The preferred operation conditions for the system are low temperature (2°C) and high pressure (30 bar) in dissolving tank. High circulation ratio might be good in the sense that more oxygen could be dissolved and fed into reactor for reactions, but meanwhile hydrodynamics of microreactor should be considered. Furthermore, more operation conditions of reactor gas/liquid feeds in both of two operation modes were proposed to provide guidance for future experiment design and corresponding hydrodynamic parameters were also calculated. Finally, safety issue was considered from thermodynamic point of view and there is no explosion danger at given experimental plan since the released reaction heat will not cause solvent vaporization inside the microchannels. The improvement of process model still needs further study based on the future experimental results.