The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Production of magnesium carbonates from serpentinites for CO2 mineral sequestration : optimisation towards industrial application

Global warming is one of the most alarming problems of this century. Initial scepticism concerning its validity is currently dwarfed by the intensification of extreme weather events whilst the gradual arising level of anthropogenic CO2 is pointed out as its main driver. Most of the greenhouse gas (GHG) emissions come from large point sources (heat and power production and industrial processes) and the continued use of fossil fuels requires quick and effective measures to meet the world’s energy demand whilst (at least) stabilizing CO2 atmospheric levels. The framework known as Carbon Capture and Storage (CCS) – or Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) – comprises a portfolio of technologies applicable to large‐scale GHG sources for preventing CO2 from entering the atmosphere. Amongst them, CO2 capture and mineralisation (CCM) presents the highest potential for CO2 sequestration as the predicted carbon storage capacity (as mineral carbonates) far exceeds the estimated levels of the worldwide identified fossil fuel reserves. The work presented in this thesis aims at taking a step forward to the deployment of an energy/cost effective process for simultaneous capture and storage of CO2 in the form of thermodynamically stable and environmentally friendly solid carbonates. R&D work on the process considered here began in 2007 at Åbo Akademi University in Finland. It involves the processing of magnesium silicate minerals with recyclable ammonium salts for extraction of magnesium at ambient pressure and 400‐440⁰C, followed by aqueous precipitation of magnesium in the form of hydroxide, Mg(OH)2, and finally Mg(OH)2 carbonation in a pressurised fluidized bed reactor at ~510⁰C and ~20 bar PCO2 to produce high purity MgCO3. Rock material taken from the Hitura nickel mine, Finland, and serpentinite collected from Bragança, Portugal, were tested for magnesium extraction with both ammonium sulphate and bisulphate (AS and ABS) for determination of optimal operation parameters, primarily: reaction time, reactor type and presence of moisture. Typical efficiencies range from 50 to 80% of magnesium extraction at 350‐450⁰C. In general ABS performs better than AS showing comparable efficiencies at lower temperature and reaction times. The best experimental results so far obtained include 80% magnesium extraction with ABS at 450⁰C in a laboratory scale rotary kiln and 70% Mg(OH)2 carbonation in the PFB at 500⁰C, 20 bar CO2 pressure for 15 minutes. The extraction reaction with ammonium salts is not at all selective towards magnesium. Other elements like iron, nickel, chromium, copper, etc., are also co‐extracted. Their separation, recovery and valorisation are addressed as well and found to be of great importance. The assessment of the exergetic performance of the process was carried out using Aspen Plus® software and pinch analysis technology. The choice of fluxing agent and its recovery method have a decisive sway in the performance of the process: AS is recovered by crystallisation and in general the whole process requires more exergy (2.48–5.09 GJ/tCO2sequestered) than ABS (2.48–4.47 GJ/tCO2sequestered) when ABS is recovered by thermal decomposition. However, the corrosive nature of molten ABS and operational problems inherent to thermal regeneration of ABS prohibit this route. Regeneration of ABS through addition of H2SO4 to AS (followed by crystallisation) results in an overall negative exergy balance (mainly at the expense of low grade heat) but will flood the system with sulphates. Although the ÅA route is still energy intensive, its performance is comparable to conventional CO2 capture methods using alkanolamine solvents. An energy‐neutral process is dependent on the availability and quality of nearby waste heat and economic viability might be achieved with: magnesium extraction and carbonation levels ≥ 90%, the processing of CO2‐containing flue gases (eliminating the expensive capture step) and production of marketable products.

Characterisation and optimisation of the flavour of health-promoting, plantderived bitterants in functional beverages.

Flavour is a combination of taste, odour, and chemesthetic sensations. Close associations exist between these sensory modalities, and thus, the overall flavour of a food or beverage product can change when the intensity of one or more of these sensations is altered. Strategies to modify flavour are often utilized by the food industry, and are central to the engineering of new and reformulated products. For functional food and beverages, flavour modification is particularly important, as fortifying agents can elicit high levels of less than desirable sensations, such as bitterness and astringency. The application of various flavour modifying strategies can decrease the perceived intensity of these sensations, and in tum, improve the sensory profile of the product. This collection of studies describes the sensory characteristics of experimental functional beverages fortified with trans-resveratrol, (+)-catechin, and/or caffeine, and examines the impact of novel flavour modifying strategies on the perceived flavour of these beverages. In the first study, results demonstrate that the flavour profile of Cabemet Sauvignon wines fortified with 20 mglL and 200 mg/L of trans-resveratrol is not perceived as different compared to control wine (0 mglL). However, Riesling wine fortified with 200 mg/L is perceived as significantly higher in bitterness compared to 20 mglL and control. For some functional food formulations, alternative strategies for flavour modification are needed. Traditional methods, such as the addition of sucrose and sodium chloride, may decrease the perceived 'healthiness' of a product, and thus, may be sub-optimal. In a second study, high and low concentrations of five different bitter inhibiting compounds - 'bitter blockers' - (B-cyclodextrin, homoeridictyol sodium salt, carboxymethylcellulose - low viscosity, zinc sulfate, magnesium sulfate) were tested for their efficacy towards decreasing the bitterness of high and low concentrations of caffeine and (+)catechin - two health-relevant, plant-derived bitterants. B-cyclodextrin and homoeridictyol sodium salt were the most effective blockers at decreasing (+ )-catechin and caffeine, respectively. In addition to bitter blockers, additional flavour modifying strategies, either alone or in combination - may also be successful in functional food formulations. Both sucrose and rebaudioside A - a plant-derived sweetener - were effective at decreasing the bitterness of (+)catechin. When added to (+)-catechin along with B-cyc1odextrin, both sweeteners provided the most effective decrease in bitterness compared to binary, ternary, or quaternary mixtures of (+)catechin together with bitter blockers, sweeteners, andlor odourants. The perceived intensity of sensations elicited by sweeteners and odourants was not affected by the addition of bitter blockers, and thus, their impact within these complex matrices is minimal. In addition, withinmodal (taste-taste) compared to cross-modal (taste-odour) sensory interactions were more effective at decreasing the bitterness of (+ )-catechin. Overall, results from these studies demonstrate that certain novel, alternative flavour modifying approaches may be successful towards lowering the bitterness and astringency elicited by (+ )-catechin and caffeine in aqueous solutions.

Optimisation du processus de développement du médicament grâce à la modélisation PK et les simulations d’études cliniques

Le développement d’un médicament est non seulement complexe mais les retours sur investissment ne sont pas toujours ceux voulus ou anticipés. Plusieurs médicaments échouent encore en Phase III même avec les progrès technologiques réalisés au niveau de plusieurs aspects du développement du médicament. Ceci se traduit en un nombre décroissant de médicaments qui sont commercialisés. Il faut donc améliorer le processus traditionnel de développement des médicaments afin de faciliter la disponibilité de nouveaux produits aux patients qui en ont besoin. Le but de cette recherche était d’explorer et de proposer des changements au processus de développement du médicament en utilisant les principes de la modélisation avancée et des simulations d’essais cliniques. Dans le premier volet de cette recherche, de nouveaux algorithmes disponibles dans le logiciel ADAPT 5® ont été comparés avec d’autres algorithmes déjà disponibles afin de déterminer leurs avantages et leurs faiblesses. Les deux nouveaux algorithmes vérifiés sont l’itératif à deux étapes (ITS) et le maximum de vraisemblance avec maximisation de l’espérance (MLEM). Les résultats de nos recherche ont démontré que MLEM était supérieur à ITS. La méthode MLEM était comparable à l’algorithme d’estimation conditionnelle de premier ordre (FOCE) disponible dans le logiciel NONMEM® avec moins de problèmes de rétrécissement pour les estimés de variances. Donc, ces nouveaux algorithmes ont été utilisés pour la recherche présentée dans cette thèse. Durant le processus de développement d’un médicament, afin que les paramètres pharmacocinétiques calculés de façon noncompartimentale soient adéquats, il faut que la demi-vie terminale soit bien établie. Des études pharmacocinétiques bien conçues et bien analysées sont essentielles durant le développement des médicaments surtout pour les soumissions de produits génériques et supergénériques (une formulation dont l'ingrédient actif est le même que celui du médicament de marque, mais dont le profil de libération du médicament est différent de celui-ci) car elles sont souvent les seules études essentielles nécessaires afin de décider si un produit peut être commercialisé ou non. Donc, le deuxième volet de la recherche visait à évaluer si les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte pour un individu pouvaient avoir une incidence sur les conclusions d’une étude de bioéquivalence et s’ils devaient être soustraits d’analyses statistiques. Les résultats ont démontré que les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte influençaient de façon négative les résultats si ceux-ci étaient maintenus dans l’analyse de variance. Donc, le paramètre de surface sous la courbe à l’infini pour ces sujets devrait être enlevé de l’analyse statistique et des directives à cet effet sont nécessaires a priori. Les études finales de pharmacocinétique nécessaires dans le cadre du développement d’un médicament devraient donc suivre cette recommandation afin que les bonnes décisions soient prises sur un produit. Ces informations ont été utilisées dans le cadre des simulations d’essais cliniques qui ont été réalisées durant la recherche présentée dans cette thèse afin de s’assurer d’obtenir les conclusions les plus probables. Dans le dernier volet de cette thèse, des simulations d’essais cliniques ont amélioré le processus du développement clinique d’un médicament. Les résultats d’une étude clinique pilote pour un supergénérique en voie de développement semblaient très encourageants. Cependant, certaines questions ont été soulevées par rapport aux résultats et il fallait déterminer si le produit test et référence seraient équivalents lors des études finales entreprises à jeun et en mangeant, et ce, après une dose unique et des doses répétées. Des simulations d’essais cliniques ont été entreprises pour résoudre certaines questions soulevées par l’étude pilote et ces simulations suggéraient que la nouvelle formulation ne rencontrerait pas les critères d’équivalence lors des études finales. Ces simulations ont aussi aidé à déterminer quelles modifications à la nouvelle formulation étaient nécessaires afin d’améliorer les chances de rencontrer les critères d’équivalence. Cette recherche a apporté des solutions afin d’améliorer différents aspects du processus du développement d’un médicament. Particulièrement, les simulations d’essais cliniques ont réduit le nombre d’études nécessaires pour le développement du supergénérique, le nombre de sujets exposés inutilement au médicament, et les coûts de développement. Enfin, elles nous ont permis d’établir de nouveaux critères d’exclusion pour des analyses statistiques de bioéquivalence. La recherche présentée dans cette thèse est de suggérer des améliorations au processus du développement d’un médicament en évaluant de nouveaux algorithmes pour des analyses compartimentales, en établissant des critères d’exclusion de paramètres pharmacocinétiques (PK) pour certaines analyses et en démontrant comment les simulations d’essais cliniques sont utiles.

Heuristic solution methods for multi-attribute vehicle routing problems

Le Problème de Tournées de Véhicules (PTV) est une clé importante pour gérér efficacement des systèmes logistiques, ce qui peut entraîner une amélioration du niveau de satisfaction de la clientèle. Ceci est fait en servant plus de clients dans un temps plus court. En terme général, il implique la planification des tournées d'une flotte de véhicules de capacité donnée basée à un ou plusieurs dépôts. Le but est de livrer ou collecter une certain quantité de marchandises à un ensemble des clients géographiquement dispersés, tout en respectant les contraintes de capacité des véhicules. Le PTV, comme classe de problèmes d'optimisation discrète et de grande complexité, a été étudié par de nombreux au cours des dernières décennies. Étant donné son importance pratique, des chercheurs dans les domaines de l'informatique, de la recherche opérationnelle et du génie industrielle ont mis au point des algorithmes très efficaces, de nature exacte ou heuristique, pour faire face aux différents types du PTV. Toutefois, les approches proposées pour le PTV ont souvent été accusées d'être trop concentrées sur des versions simplistes des problèmes de tournées de véhicules rencontrés dans des applications réelles. Par conséquent, les chercheurs sont récemment tournés vers des variantes du PTV qui auparavant étaient considérées trop difficiles à résoudre. Ces variantes incluent les attributs et les contraintes complexes observés dans les cas réels et fournissent des solutions qui sont exécutables dans la pratique. Ces extensions du PTV s'appellent Problème de Tournées de Véhicules Multi-Attributs (PTVMA). Le but principal de cette thèse est d'étudier les différents aspects pratiques de trois types de problèmes de tournées de véhicules multi-attributs qui seront modélisés dans celle-ci. En plus, puisque pour le PTV, comme pour la plupart des problèmes NP-complets, il est difficile de résoudre des instances de grande taille de façon optimale et dans un temps d'exécution raisonnable, nous nous tournons vers des méthodes approcheés à base d’heuristiques.

Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Optimisation des horaires des agents et du routage des appels dans les centres d’appels

Nous étudions la gestion de centres d'appels multi-compétences, ayant plusieurs types d'appels et groupes d'agents. Un centre d'appels est un système de files d'attente très complexe, où il faut généralement utiliser un simulateur pour évaluer ses performances. Tout d'abord, nous développons un simulateur de centres d'appels basé sur la simulation d'une chaîne de Markov en temps continu (CMTC), qui est plus rapide que la simulation conventionnelle par événements discrets. À l'aide d'une méthode d'uniformisation de la CMTC, le simulateur simule la chaîne de Markov en temps discret imbriquée de la CMTC. Nous proposons des stratégies pour utiliser efficacement ce simulateur dans l'optimisation de l'affectation des agents. En particulier, nous étudions l'utilisation des variables aléatoires communes. Deuxièmement, nous optimisons les horaires des agents sur plusieurs périodes en proposant un algorithme basé sur des coupes de sous-gradients et la simulation. Ce problème est généralement trop grand pour être optimisé par la programmation en nombres entiers. Alors, nous relaxons l'intégralité des variables et nous proposons des méthodes pour arrondir les solutions. Nous présentons une recherche locale pour améliorer la solution finale. Ensuite, nous étudions l'optimisation du routage des appels aux agents. Nous proposons une nouvelle politique de routage basé sur des poids, les temps d'attente des appels, et les temps d'inoccupation des agents ou le nombre d'agents libres. Nous développons un algorithme génétique modifié pour optimiser les paramètres de routage. Au lieu d'effectuer des mutations ou des croisements, cet algorithme optimise les paramètres des lois de probabilité qui génèrent la population de solutions. Par la suite, nous développons un algorithme d'affectation des agents basé sur l'agrégation, la théorie des files d'attente et la probabilité de délai. Cet algorithme heuristique est rapide, car il n'emploie pas la simulation. La contrainte sur le niveau de service est convertie en une contrainte sur la probabilité de délai. Par après, nous proposons une variante d'un modèle de CMTC basé sur le temps d'attente du client à la tête de la file. Et finalement, nous présentons une extension d'un algorithme de coupe pour l'optimisation stochastique avec recours de l'affectation des agents dans un centre d'appels multi-compétences.

Energy optimisation studies in trawling operations along the Kerala coast

This study mainly deals with the structure of the motorised and mechanised trawl fishing fleet of Kerala, and assess the availability of resources and its extent of exploitation. The study is conducted by observing the performance of small motorised boats operating trawl nets from selected centers along the Kerala coast. The Study also deals with the type and material of construction of the propellers used in selected crafts and the efficiency of the propeller. The fuel consumption pattern of selected medium sized trawlers economics of operation of selected fishing crafts are analyzed through this study. The thesis also Suggest methods for reducing fuel consumption in trawling

Optimisation of recombinant production of active human cardiac SERCA2a ATPase

Methods for recombinant production of eukaryotic membrane proteins, yielding sufficient quantity and quality of protein for structural biology, remain a challenge. We describe here, expression and purification optimisation of the human SERCA2a cardiac isoform of Ca2+ translocating ATPase, using Saccharomyces cerevisiae as the heterologous expression system of choice. Two different expression vectors were utilised, allowing expression of C-terminal fusion proteins with a biotinylation domain or a GFP- His8 tag. Solubilised membrane fractions containing the protein of interest were purified onto Streptavidin-Sepharose, Ni-NTA or Talon resin, depending on the fusion tag present. Biotinylated protein was detected using specific antibody directed against SERCA2 and, advantageously, GFP-His8 fusion protein was easily traced during the purification steps using in-gel fluorescence. Importantly, talon resin affinity purification proved more specific than Ni-NTA resin for the GFP-His8 tagged protein, providing better separation of oligomers present, during size exclusion chromatography. The optimised method for expression and purification of human cardiac SERCA2a reported herein, yields purified protein (> 90%) that displays a calcium-dependent thapsigargin-sensitive activity and is suitable for further biophysical, structural and physiological studies. This work provides support for the use of Saccharomyces cerevisiae as a suitable expression system for recombinant production of multi-domain eukaryotic membrane proteins.

Development of original analytical methods for the therapeutic drug monitoring of CNS druges: Antipsychotics, Antidepressants and Anxiolytics-hypnotics

Great strides have been made in the last few years in the pharmacological treatment of neuropsychiatric disorders, with the introduction into the therapy of several new and more efficient agents, which have improved the quality of life of many patients. Despite these advances, a large percentage of patients is still considered “non-responder” to the therapy, not drawing any benefits from it. Moreover, these patients have a peculiar therapeutic profile, due to the very frequent application of polypharmacy, attempting to obtain satisfactory remission of the multiple aspects of psychiatric syndromes. Therapy is heavily individualised and switching from one therapeutic agent to another is quite frequent. One of the main problems of this situation is the possibility of unwanted or unexpected pharmacological interactions, which can occur both during polypharmacy and during switching. Simultaneous administration of psychiatric drugs can easily lead to interactions if one of the administered compounds influences the metabolism of the others. Impaired CYP450 function due to inhibition of the enzyme is frequent. Other metabolic pathways, such as glucuronidation, can also be influenced. The Therapeutic Drug Monitoring (TDM) of psychotropic drugs is an important tool for treatment personalisation and optimisation. It deals with the determination of parent drugs and metabolites plasma levels, in order to monitor them over time and to compare these findings with clinical data. This allows establishing chemical-clinical correlations (such as those between administered dose and therapeutic and side effects), which are essential to obtain the maximum therapeutic efficacy, while minimising side and toxic effects. It is evident the importance of developing sensitive and selective analytical methods for the determination of the administered drugs and their main metabolites, in order to obtain reliable data that can correctly support clinical decisions. During the three years of Ph.D. program, some analytical methods based on HPLC have been developed, validated and successfully applied to the TDM of psychiatric patients undergoing treatment with drugs belonging to following classes: antipsychotics, antidepressants and anxiolytic-hypnotics. The biological matrices which have been processed were: blood, plasma, serum, saliva, urine, hair and rat brain. Among antipsychotics, both atypical and classical agents have been considered, such as haloperidol, chlorpromazine, clotiapine, loxapine, risperidone (and 9-hydroxyrisperidone), clozapine (as well as N-desmethylclozapine and clozapine N-oxide) and quetiapine. While the need for an accurate TDM of schizophrenic patients is being increasingly recognized by psychiatrists, only in the last few years the same attention is being paid to the TDM of depressed patients. This is leading to the acknowledgment that depression pharmacotherapy can greatly benefit from the accurate application of TDM. For this reason, the research activity has also been focused on first and second-generation antidepressant agents, like triciclic antidepressants, trazodone and m-chlorophenylpiperazine (m-cpp), paroxetine and its three main metabolites, venlafaxine and its active metabolite, and the most recent antidepressant introduced into the market, duloxetine. Among anxiolytics-hypnotics, benzodiazepines are very often involved in the pharmacotherapy of depression for the relief of anxious components; for this reason, it is useful to monitor these drugs, especially in cases of polypharmacy. The results obtained during these three years of Ph.D. program are reliable and the developed HPLC methods are suitable for the qualitative and quantitative determination of CNS drugs in biological fluids for TDM purposes.

Development of models and methods to simulate peptide-assisted nucleation and growth of calcium-minerals

In den vergangenen Jahren wurden einige bislang unbekannte Phänomene experimentell beobachtet, wie etwa die Existenz unterschiedlicher Prä-Nukleations-Strukturen. Diese haben zu einem neuen Verständnis von Prozessen, die auf molekularer Ebene während der Nukleation und dem Wachstum von Kristallen auftreten, beigetragen. Die Auswirkungen solcher Prä-Nukleations-Strukturen auf den Prozess der Biomineralisation sind noch nicht hinreichend verstanden. Die Mechanismen, mittels derer biomolekulare Modifikatoren, wie Peptide, mit Prä-Nukleations-Strukturen interagieren und somit den Nukleationsprozess von Mineralen beeinflussen könnten, sind vielfältig. Molekulare Simulationen sind zur Analyse der Formation von Prä-Nukleations-Strukturen in Anwesenheit von Modifikatoren gut geeignet. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur Analyse der Interaktion von Peptiden mit den in Lösung befindlichen Bestandteilen der entstehenden Kristalle mit Hilfe von Molekular-Dynamik Simulationen.rnUm informative Simulationen zu ermöglichen, wurde in einem ersten Schritt die Qualität bestehender Kraftfelder im Hinblick auf die Beschreibung von mit Calciumionen interagierenden Oligoglutamaten in wässrigen Lösungen untersucht. Es zeigte sich, dass große Unstimmigkeiten zwischen etablierten Kraftfeldern bestehen, und dass keines der untersuchten Kraftfelder eine realistische Beschreibung der Ionen-Paarung dieser komplexen Ionen widerspiegelte. Daher wurde eine Strategie zur Optimierung bestehender biomolekularer Kraftfelder in dieser Hinsicht entwickelt. Relativ geringe Veränderungen der auf die Ionen–Peptid van-der-Waals-Wechselwirkungen bezogenen Parameter reichten aus, um ein verlässliches Modell für das untersuchte System zu erzielen. rnDas umfassende Sampling des Phasenraumes der Systeme stellt aufgrund der zahlreichen Freiheitsgrade und der starken Interaktionen zwischen Calciumionen und Glutamat in Lösung eine besondere Herausforderung dar. Daher wurde die Methode der Biasing Potential Replica Exchange Molekular-Dynamik Simulationen im Hinblick auf das Sampling von Oligoglutamaten justiert und es erfolgte die Simulation von Peptiden verschiedener Kettenlängen in Anwesenheit von Calciumionen. Mit Hilfe der Sketch-Map Analyse konnten im Rahmen der Simulationen zahlreiche stabile Ionen-Peptid-Komplexe identifiziert werden, welche die Formation von Prä-Nukleations-Strukturen beeinflussen könnten. Abhängig von der Kettenlänge des Peptids weisen diese Komplexe charakteristische Abstände zwischen den Calciumionen auf. Diese ähneln einigen Abständen zwischen den Calciumionen in jenen Phasen von Calcium-Oxalat Kristallen, die in Anwesenheit von Oligoglutamaten gewachsen sind. Die Analogie der Abstände zwischen Calciumionen in gelösten Ionen-Peptid-Komplexen und in Calcium-Oxalat Kristallen könnte auf die Bedeutung von Ionen-Peptid-Komplexen im Prozess der Nukleation und des Wachstums von Biomineralen hindeuten und stellt einen möglichen Erklärungsansatz für die Fähigkeit von Oligoglutamaten zur Beeinflussung der Phase des sich formierenden Kristalls dar, die experimentell beobachtet wurde.

Characterisation and optimisation of the new Prompt Gamma-ray Activation Analysis (PGAA) facility at FRM II

At the research reactor Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) a new Prompt Gamma-ray Activation Analysis (PGAA) facility was installed. The instrument was originally built and operating at the spallation source at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. After a careful re-design in 2004–2006, the new PGAA instrument was ready for operation at FRM II. In this paper the main characteristics and the current operation conditions of the facility are described. The neutron flux at the sample position can reach up 6.07×1010 [cm−2 s−1], thus the optimisation of some parameters, e.g. the beam background, was necessary in order to achieve a satisfactory analytical sensitivity for routine measurements. Once the optimal conditions were reached, detection limits and sensitivities for some elements, like for example H, B, C, Si, or Pb, were calculated and compared with other PGAA facilities. A standard reference material was also measured in order to show the reliability of the analysis under different conditions at this instrument.

Combinations of dexmedetomidine and alfaxalone with butorphanol in cats: application of an innovative stepwise optimisation method to identify optimal clinical doses for intramuscular anaesthesia

OBJECTIVES The aim of this study was to optimise dexmedetomidine and alfaxalone dosing, for intramuscular administration with butorphanol, to perform minor surgeries in cats. METHODS Initially, cats were assigned to one of five groups, each composed of six animals and receiving, in addition to 0.3 mg/kg butorphanol intramuscularly, one of the following: (A) 0.005 mg/kg dexmedetomidine, 2 mg/kg alfaxalone; (B) 0.008 mg/kg dexmedetomidine, 1.5 mg/kg alfaxalone; (C) 0.012 mg/kg dexmedetomidine, 1 mg/kg alfaxalone; (D) 0.005 mg/kg dexmedetomidine, 1 mg/kg alfaxalone; and (E) 0.012 mg/kg dexmedetomidine, 2 mg/kg alfaxalone. Thereafter, a modified 'direct search' method, conducted in a stepwise manner, was used to optimise drug dosing. The quality of anaesthesia was evaluated on the basis of composite scores (one for anaesthesia and one for recovery), visual analogue scales and the propofol requirement to suppress spontaneous movements. The medians or means of these variables were used to rank the treatments; 'unsatisfactory' and 'promising' combinations were identified to calculate, through the equation first described by Berenbaum in 1990, new dexmedetomidine and alfaxalone doses to be tested in the next step. At each step, five combinations (one new plus the best previous four) were tested. RESULTS None of the tested combinations resulted in adverse effects. Four steps and 120 animals were necessary to identify the optimal drug combination (0.014 mg/kg dexmedetomidine, 2.5 mg/kg alfaxalone and 0.3 mg/kg butorphanol). CONCLUSIONS AND RELEVANCE The investigated drug mixture, at the doses found with the optimisation method, is suitable for cats undergoing minor clinical procedures.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Feature selection by multi-objective optimisation: Application to network anomaly detection by hierarchical self-organising maps

Feature selection is an important and active issue in clustering and classification problems. By choosing an adequate feature subset, a dataset dimensionality reduction is allowed, thus contributing to decreasing the classification computational complexity, and to improving the classifier performance by avoiding redundant or irrelevant features. Although feature selection can be formally defined as an optimisation problem with only one objective, that is, the classification accuracy obtained by using the selected feature subset, in recent years, some multi-objective approaches to this problem have been proposed. These either select features that not only improve the classification accuracy, but also the generalisation capability in case of supervised classifiers, or counterbalance the bias toward lower or higher numbers of features that present some methods used to validate the clustering/classification in case of unsupervised classifiers. The main contribution of this paper is a multi-objective approach for feature selection and its application to an unsupervised clustering procedure based on Growing Hierarchical Self-Organising Maps (GHSOMs) that includes a new method for unit labelling and efficient determination of the winning unit. In the network anomaly detection problem here considered, this multi-objective approach makes it possible not only to differentiate between normal and anomalous traffic but also among different anomalies. The efficiency of our proposals has been evaluated by using the well-known DARPA/NSL-KDD datasets that contain extracted features and labelled attacks from around 2 million connections. The selected feature sets computed in our experiments provide detection rates up to 99.8% with normal traffic and up to 99.6% with anomalous traffic, as well as accuracy values up to 99.12%.