Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Cap a un model per interpretar i facilitar l'aprendre: estratègies i recursos per a la reflexió-acció en i des de la pràctica

1.- L'enquadrament d'aquest treball de recerca s'ha fet en i des de la praxis. EI que interessa és descobrir i proposar instruments pedagògics d'ajuda, assequibles i contextualitzats, especialment en el terreny de la comunicació i la interacció Educador-Educand. La metodologia que s'ha fet servir és de caire qualitatiu, etnogràfic, en un enfocament basat en la investigació-acció. La visió de la persona és volgudament holística; els sentiments, els significats, I' orientació personal, I' autodirecció. esdevenen elements centrals. La hipòtesi de treball, en la qual es fonamenta la recerca, podria formular-se així: 'En la pràctica, els Educadors, d'una forma més o menys reflexiva, perceben i interpreten el procés d'aprendre dels Educands; hi intervenen, el mediatitzen; n'avaluen la direcció i l'encert". A partir d'aquest supòsit, l'investigador veu convenient donar resposta a tres qüestions centrals: A) Com comprenem i interpretem els Educadors el procés d'aprendre dels Educands?; B) Quin tipus d'intervenció resultarà adient per promoure i/o facilitar l'aprendre?; C) Amb quins instruments i estratègies comptem per ajudar pedagògicament? 2.- Per llegir l'aprendre, l'investigador fa ús d'un model mental, indispensable per ordenar les dades de l'experiència. Convé, per tant, explicitar-lo, fer-ne ciència, coneixement compartit. En aquesta direcció de treball se li plantegen dos tipus d'interrogants: A) Quins són els elements comuns a qualsevol experiència d'aprenentatge?; Quina mena d'activitat o experiència personal desenvolupen tots els Educands; i B) Com es manifesta aquesta experiència? Amb quins indicadors? Quina mena de "text" llegeix l'Educador per orientar la seva intervenció d'ajuda? 3.- L'aprenentatge. en aquest treball, és considerat per l'investigador com la resultant de tres processos personals: el posicionament, l'estratègia i l'avaluació. Quan l'Educador vol compartir amb l'Educand el seu procés idiosincràtic d'aprendre, procura reconstruir amb ell aquestes tres accions bàsiques: A) Com es posiciona: què tem o desitja, què creu, què espera, quines expectatives viu, com es motiva? B) Quines són les seves pautes d'actuació: com treballa, com memoritza, com recupera la informació que té a la memòria, què fa davant d'un problema... ? C) Què busca; què és important per a ella; què pretén... ? 4.- Davant la complexitat dels missatges emesos per l'Educand l'investigador opta per llegir tres tipus de "textos": els productes i els resultats; les conductes; i els missatges parlats. Entre tots tres, pensa, podrà trobar elements i indicadors adequats per fonamentar, sempre hipotèticament, la seva actuació pedagògica. 5.- Procura sobretot detectar i fer existir els èxits, aquells productes i/o resultats que l'Educand troba valuosos, per tal d'ajudar-lo a prendre consciència dels seu repertori personal d'estratègies i capacitats. En aquest àmbit es proposen tres actituds o enfocaments del treball d'ajuda: A) El primer fa referència a la presa de consciència de l'estratègia personal, que s'amaga darrera el producte valorat. B) El segon apunta cap al respecte per l'estratègia que cadascú executa i, per tant, li és familiar. L'Educand la necessita. Es la seva. Es troba en la seva experiència, encara que no necessàriament existeixi en la seva construcció conscient. C) El tercer ,el duu a valorar l'estratègia d'acord amb les finalitats de l'Educand. La seva adequació es legitima pel que es proposa. Partim del supòsit que tota conducta es troba dirigida per un propòsit a vegades difícil de copsar i no sempre recomanable per a l'Educand. 6.- La conducta percebuda de l'Educand és entesa com un missatge, un conjunt d'indicadors de la seva activitat contextualitzada, interna i externa; missatge que, en relació amb altres, com els productes i les verbalitzacions, manifesta fragments dels seus significats, projectes, estratègies, valors. Es fa un èmfasi especial en les conductes "internes", els gestos mentals, l'acció interior, tramesa per mitja de microcomportaments sovint no conscient, i certificada per mitjà de la verbalització del viscut. 7.- Parlar amb l'Educand suposa dues menes d'accions: escoltar i emetre. Escoltem per comprendre; emetem per perfilar la comprensió i també per ajudar. En l'emissió, el missatge pedagògic té dues funcions: a) rellançar i orientar el pensament i l'autoexploració de l'Educand; i b) influir per tal que desenvolupi amb èxit el seu projecte d'aprendre. Interessa d'una manera especial ajudar a integrar en la consciència de l'Educand aquests elements de la seva experiència que poden facilitar-li l'adquisició del coneixement. I entenem que, en aquesta empresa, la paraula i la interacció verbal poden tenir-hi un joc important. Per aquesta raó s'ha considerat necessari oferir un model d'anàlisi de la interacció i els missatges verbals. 8.- "Les persones aprenen sempre, amb recursos, processos i sistemes de valoració idiosincràtics, per fa qual cosa la seva orientació en el context esdevé un referent central en el disseny de l'ajuda pedagògica i en la seva avaluació". Aquesta és la hipòtesi de sortida per dissenyar la intervenció pedagògica. Tothom aprèn, inevitablement; la qüestió és quina cosa està aprenent i de quina manera els seus resultats d'ara són mediatitzats per l'experiència passada i, alhora, condicionen el seu aprendre futur. L'aprenent es posiciona, anticipa el procés d' aprendre, valora la seva. capacitat per desenvolupar-lo amb èxit, es motiva en una determinada direcció, d'acord amb la seva experiència, els seus aprenentatges anteriors. Executa estratègies, mostra un tipus d'intel·ligència, una forma personal de processar la informació. Pretén quelcom. És un sistema obert en relació amb el medi: hi ha uns valors que dirigeixen la seva presa de decisions. Utilitza uns criteris propis, una gamma personal d'opcions conscients. Avalua el que fa, el resultat que obté i la seva capacitat personal. 9.- L'ajuda pedagògica que I' autor proposa s'encamina sobretot a facilitar en l'Educand la descoberta dels seus propis recursos. Es tracta de portar-lo cap a la consideració atenta de la seva pròpia experiència, per amplificar-la i fer-la existir com a recurs conscient . Ha dibuixat i experimentat tres conjunts d'intervenció cadascun enfocat vers un àmbit de l'experiència d'aprendre, el qual col·loca com a prioritari, sense oblidar qualsevol dels altres que pugui ser rellevant, per comprendre o ajudar. A) Intervenció sobre el posicionament. En aquest àmbit enfoca l'estil de motivació que executa l'Educand, mira de corregir-lo, si cal, a partir de l'anàlisi i la comprensió de les seves formes de motivar-se quan ell viu l'èxit. Treballa proposant objectius paradoxals de fracàs gairebé impossible, buscant l'assoliment de petits èxits, potser aparentment insignificants, però estratègics; prescriu l'automatisme, per modificar-lo si l'Educand ho desitja; comprova el procés d'anticipació de I' experiència que l'aprenent es construeix per orientar-se; l'ajuda a contextualitzar anticipació i a fer ús dels seus Ilenguatges interns més eficaços i còmodes;... B) Intervenció sobre les estratègies i processos. En un segon enfocament, no necessàriament posterior al descrit, considera les estratègies de I'Educand, també a partir dels seus encerts i èxits. Mira de portar-lo cap a fa descripció i presa de consciència de les seves maneres de fer mes còmodes i segures, les que lliguen amb les seves preferències cerebrals. Quan viu dificultats, el convida a explorar les excepcions, els moments en els quals les seves realitzacions són satisfactòries. Pretén sobretot modificar les seves creences limitants, posant-lo en conflicte amb els fets de l'experiència. A vegades, caldrà facilitar l'adquisició d'estratègies i procediments nous que l'Educand considera plausibles. Es tracta específicament de fer existir opcions noves d'actuació per tal d'assolir allò que vol i/o necessita. C) Intervenció sobre el sistema de valors de l'Educand. L'Educand viu uns valors, els quals expliquen el seu món intern les conductes que realitza i els resultats que obté. Aquest àmbit és col·locat, en el model, al centre del procés d'aprendre. Hom actua amb propòsits determinats, no necessariament conscients. L'obertura de la persona a l'experiència d'aprendre es dirigeix segons criteris i valors irrenunciables. 10.- L 'Educador procura compartir els objectius de l'Educand i els seus projectes per assolir-los; vol tanmateix que se'n faci coneixedor i director responsable. Per a això li convé preguntar-se per quina mena d'experiència està desenvolupant i quin sentit ecològic te per a ell. L'Educador, el seu model del món, la seva persona, està compromès en el procés d'ajuda. No és només un tècnic que aplica recursos objectius. El seu model de comunicació, el seu pensament, les seves expectatives i anticipacions, tenen un pes considerable en el tipus d'intervenció pedagògica que durà a terme i, d'escreix, en el tipus d' aprenentatge que facilita. En la intervenció, l'Educador parteix d'una avaluació intencionadament positiva, centrada en els recursos i les solucions, en la metacognició i l'autoregulació dels processos, a partir de premisses que pressuposen l'èxit personal.

Design and synthesis of short antimicrobial peptides for plant protection. Study of their mode of action

Aquesta tesi doctoral està basada en el desenvolupament de nous agents antimicrobians derivats del pèptid híbrid cecropina A-melitina WKLFKKILKVL-NH2 (Pep3) que siguin sostenibles i útils per al control de malalties de plantes. Es van dissenyar i sintetitzar més de 133 anàlegs de Pep3 mitjançant química combinatòria. Es van obtenir anàlegs de Pep3 amb una elevada activitat contra fitopatògens i que presentaven baixa toxicitat. Els millors anàlegs van presentar eficàcies comparables amb pesticides de referència en la prevenció d'infeccions causades per fitopatògens. Es va estudiar el mecanisme d'acció de KKLFKKILKYL-NH2 (BP100) investigant la seva interacció amb models de membrana mitjançant tècniques espectroscòpiques. Es va observar la capacitat de BP100 a induir la permeabilització, la neutralització, i l'agregació de vesícules lipídiques aniòniques a una determinada concentració llindar. Es va deduir una equació que relaciona la CMI d'un pèptid antimicrobià amb la constant de partició i la concentració llindar en la membrana.

Model-based vehicle detection and classification using orthographic approximations

This paper reports the current state of work to simplify our previous model-based methods for visual tracking of vehicles for use in a real-time system intended to provide continuous monitoring and classification of traffic from a fixed camera on a busy multi-lane motorway. The main constraints of the system design were: (i) all low level processing to be carried out by low-cost auxiliary hardware, (ii) all 3-D reasoning to be carried out automatically off-line, at set-up time. The system developed uses three main stages: (i) pose and model hypothesis using 1-D templates, (ii) hypothesis tracking, and (iii) hypothesis verification, using 2-D templates. Stages (i) & (iii) have radically different computing performance and computational costs, and need to be carefully balanced for efficiency. Together, they provide an effective way to locate, track and classify vehicles.

A design of benchmarking method for assessing performance of e-Government systems

This paper is an initial work towards developing an e-Government benchmarking model that is user-centric. To achieve the goal then, public service delivery is discussed first including the transition to online public service delivery and the need for providing public services using electronic media. Two major e-Government benchmarking methods are critically discussed and the need to develop a standardized benchmarking model that is user-centric is presented. To properly articulate user requirements in service provision, an organizational semiotic method is suggested.

An integrated model of soil-canopy spectral radiances, photosynthesis, fluorescence, temperature and energy balance

This paper presents the model SCOPE (Soil Canopy Observation, Photochemistry and Energy fluxes), which is a vertical (1-D) integrated radiative transfer and energy balance model. The model links visible to thermal infrared radiance spectra (0.4 to 50 μm) as observed above the canopy to the fluxes of water, heat and carbon dioxide, as a function of vegetation structure, and the vertical profiles of temperature. Output of the model is the spectrum of outgoing radiation in the viewing direction and the turbulent heat fluxes, photosynthesis and chlorophyll fluorescence. A special routine is dedicated to the calculation of photosynthesis rate and chlorophyll fluorescence at the leaf level as a function of net radiation and leaf temperature. The fluorescence contributions from individual leaves are integrated over the canopy layer to calculate top-of-canopy fluorescence. The calculation of radiative transfer and the energy balance is fully integrated, allowing for feedback between leaf temperatures, leaf chlorophyll fluorescence and radiative fluxes. Leaf temperatures are calculated on the basis of energy balance closure. Model simulations were evaluated against observations reported in the literature and against data collected during field campaigns. These evaluations showed that SCOPE is able to reproduce realistic radiance spectra, directional radiance and energy balance fluxes. The model may be applied for the design of algorithms for the retrieval of evapotranspiration from optical and thermal earth observation data, for validation of existing methods to monitor vegetation functioning, to help interpret canopy fluorescence measurements, and to study the relationships between synoptic observations with diurnally integrated quantities. The model has been implemented in Matlab and has a modular design, thus allowing for great flexibility and scalability.

Optimal inverter design for an induction machine using resonant frequency matching

The frequency responses of two 50 Hz and one 400 Hz induction machines have been measured experimentally over a frequency range of 1 kHz to 400 kHz. This study has shown that the stator impedances of the machines behave in a similar manner to a parallel resonant circuit, and hence have a resonant point at which the Input impedance of the machine is at a maximum. This maximum impedance point was found experimentally to be as low as 33 kHz, which is well within the switching frequency ranges of modern inverter drives. This paper investigates the possibility of exploiting the maximum impedance point of the machine, by taking it into consideration when designing an inverter, in order to minimize ripple currents due to the switching frequency. Minimization of the ripple currents would reduce torque pulsation and losses, increasing overall performance. A modified machine model was developed to take into account the resonant point, and this model was then simulated with an inverter to demonstrate the possible advantages of matching the inverter switching frequency to the resonant point. Finally, in order to experimentally verify the simulated results, a real inverter with a variable switching frequency was used to drive an induction machine. Experimental results are presented.

Statistical design and analysis of pharmacogenetic trials

Pharmacogenetic trials investigate the effect of genotype on treatment response. When there are two or more treatment groups and two or more genetic groups, investigation of gene-treatment interactions is of key interest. However, calculation of the power to detect such interactions is complicated because this depends not only on the treatment effect size within each genetic group, but also on the number of genetic groups, the size of each genetic group, and the type of genetic effect that is both present and tested for. The scale chosen to measure the magnitude of an interaction can also be problematic, especially for the binary case. Elston et al. proposed a test for detecting the presence of gene-treatment interactions for binary responses, and gave appropriate power calculations. This paper shows how the same approach can also be used for normally distributed responses. We also propose a method for analysing and performing sample size calculations based on a generalized linear model (GLM) approach. The power of the Elston et al. and GLM approaches are compared for the binary and normal case using several illustrative examples. While more sensitive to errors in model specification than the Elston et al. approach, the GLM approach is much more flexible and in many cases more powerful. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

The effects of environmental perturbation and measurement error on estimates of the shape parameter in the theta-logistic model of population regulation

The theta-logistic is a widely used generalisation of the logistic model of regulated biological processes which is used in particular to model population regulation. Then the parameter theta gives the shape of the relationship between per-capita population growth rate and population size. Estimation of theta from population counts is however subject to bias, particularly when there are measurement errors. Here we identify factors disposing towards accurate estimation of theta by simulation of populations regulated according to the theta-logistic model. Factors investigated were measurement error, environmental perturbation and length of time series. Large measurement errors bias estimates of theta towards zero. Where estimated theta is close to zero, the estimated annual return rate may help resolve whether this is due to bias. Environmental perturbations help yield unbiased estimates of theta. Where environmental perturbations are large, estimates of theta are likely to be reliable even when measurement errors are also large. By contrast where the environment is relatively constant, unbiased estimates of theta can only be obtained if populations are counted precisely Our results have practical conclusions for the design of long-term population surveys. Estimation of the precision of population counts would be valuable, and could be achieved in practice by repeating counts in at least some years. Increasing the length of time series beyond ten or 20 years yields only small benefits. if populations are measured with appropriate accuracy, given the level of environmental perturbation, unbiased estimates can be obtained from relatively short censuses. These conclusions are optimistic for estimation of theta. (C) 2008 Elsevier B.V All rights reserved.

Overview of mathematical approaches used to model bacterial chemotaxis I: the single cell

Mathematical modeling of bacterial chemotaxis systems has been influential and insightful in helping to understand experimental observations. We provide here a comprehensive overview of the range of mathematical approaches used for modeling, within a single bacterium, chemotactic processes caused by changes to external gradients in its environment. Specific areas of the bacterial system which have been studied and modeled are discussed in detail, including the modeling of adaptation in response to attractant gradients, the intracellular phosphorylation cascade, membrane receptor clustering, and spatial modeling of intracellular protein signal transduction. The importance of producing robust models that address adaptation, gain, and sensitivity are also discussed. This review highlights that while mathematical modeling has aided in understanding bacterial chemotaxis on the individual cell scale and guiding experimental design, no single model succeeds in robustly describing all of the basic elements of the cell. We conclude by discussing the importance of this and the future of modeling in this area.

AT(1) receptor ligands: virtual-screening-based design with TOPP descriptors, synthesis, and biological evaluation of pyrrolidine derivatives

As a continuing effort to establish the structure-activity relationships (SARs) within the series of the angiotensin II antagonists (sartans), a pharmacophoric model was built by using novel TOPP 3D descriptors. Statistical values were satisfactory (PC4: r(2)=0.96, q(2) ((5) (random) (groups))=0.84; SDEP=0.26) and encouraged the synthesis and consequent biological evaluation of a series of new pyrrolidine derivatives. SAR together with a combined 3D quantitative SAR and high-throughput virtual screening showed that the newly synthesized 1-acyl-N-(biphenyl-4-ylmethyl)pyrrolidine-2-carboxamides may represent an interesting starting point for the design of new antihypertensive agents. In particular, biological tests performed on CHO-hAT(1) cells stably expressing the human AT(1) receptor showed that the length of the acyl chain is crucial for the receptor interaction and that the valeric chain is the optimal one.

Three-level main-effects designs exploiting prior information about model uncertainty

To explore the projection efficiency of a design, Tsai, et al [2000. Projective three-level main effects designs robust to model uncertainty. Biometrika 87, 467-475] introduced the Q criterion to compare three-level main-effects designs for quantitative factors that allow the consideration of interactions in addition to main effects. In this paper, we extend their method and focus on the case in which experimenters have some prior knowledge, in advance of running the experiment, about the probabilities of effects being non-negligible. A criterion which incorporates experimenters' prior beliefs about the importance of each effect is introduced to compare orthogonal, or nearly orthogonal, main effects designs with robustness to interactions as a secondary consideration. We show that this criterion, exploiting prior information about model uncertainty, can lead to more appropriate designs reflecting experimenters' prior beliefs. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

A parametric model for the interval censored survival times of Acacia mangium plantation in a spacing trial

Survival times for the Acacia mangium plantation in the Segaliud Lokan Project, Sabah, East Malaysia were analysed based on 20 permanent sample plots (PSPs) established in 1988 as a spacing experiment. The PSPs were established following a complete randomized block design with five levels of spacing randomly assigned to units within four blocks at different sites. The survival times of trees in years are of interest. Since the inventories were only conducted annually, the actual survival time for each tree was not observed. Hence, the data set comprises censored survival times. Initial analysis of the survival of the Acacia mangium plantation suggested there is block by spacing interaction; a Weibull model gives a reasonable fit to the replicate survival times within each PSP; but a standard Weibull regression model is inappropriate because the shape parameter differs between PSPs. In this paper we investigate the form of the non-constant Weibull shape parameter. Parsimonious models for the Weibull survival times have been derived using maximum likelihood methods. The factor selection for the parameters is based on a backward elimination procedure. The models are compared using likelihood ratio statistics. The results suggest that both Weibull parameters depend on spacing and block.

Aldose reductase and the importance of experimental design

Kinetic studies on the AR (aldose reductase) protein have shown that it does not behave as a classical enzyme in relation to ring aldose sugars. As with non-enzymatic glycation reactions, there is probably a free radical element involved derived from monosaccharide autoxidation. in the case of AR, there is free radical oxidation of NADPH by autoxidizing monosaccharides, which is enhanced in the presence of the NADPH-binding protein. Thus any assay for AR based on the oxidation of NADPH in the presence of autoxidizing monosaccharides is invalid, and tissue AR measurements based on this method are also invalid, and should be reassessed. AR exhibits broad specificity for both hydrophilic and hydrophobic aldehydes that suggests that the protein may be involved in detoxification. The last thing we would want to do is to inhibit it. ARIs (AR inhibitors) have a number of actions in the cell which are not specific, and which do not involve them binding to AR. These include peroxy-radical scavenging and effects of metal ion chelation. The AR/ARI story emphasizes the importance of correct experimental design in all biocatalytic experiments. Developing the use of Bayesian utility functions, we have used a systematic method to identify the optimum experimental designs for a number of kinetic model data sets. This has led to the identification of trends between kinetic model types, sets of design rules and the key conclusion that such designs should be based on some prior knowledge of K-m and/or the kinetic model. We suggest an optimal and iterative method for selecting features of the design such as the substrate range, number of measurements and choice of intermediate points. The final design collects data suitable for accurate modelling and analysis and minimizes the error in the parameters estimated, and is suitable for simple or complex steady-state models.

A novel Bayesian approach to drug design with simple and complex enzymes: Use with lens aldehyde dehydrogenase and the glyoxalase pathway

Purpose: Acquiring details of kinetic parameters of enzymes is crucial to biochemical understanding, drug development, and clinical diagnosis in ocular diseases. The correct design of an experiment is critical to collecting data suitable for analysis, modelling and deriving the correct information. As classical design methods are not targeted to the more complex kinetics being frequently studied, attention is needed to estimate parameters of such models with low variance. Methods: We have developed Bayesian utility functions to minimise kinetic parameter variance involving differentiation of model expressions and matrix inversion. These have been applied to the simple kinetics of the enzymes in the glyoxalase pathway (of importance in posttranslational modification of proteins in cataract), and the complex kinetics of lens aldehyde dehydrogenase (also of relevance to cataract). Results: Our successful application of Bayesian statistics has allowed us to identify a set of rules for designing optimum kinetic experiments iteratively. Most importantly, the distribution of points in the range is critical; it is not simply a matter of even or multiple increases. At least 60 % must be below the KM (or plural if more than one dissociation constant) and 40% above. This choice halves the variance found using a simple even spread across the range.With both the glyoxalase system and lens aldehyde dehydrogenase we have significantly improved the variance of kinetic parameter estimation while reducing the number and costs of experiments. Conclusions: We have developed an optimal and iterative method for selecting features of design such as substrate range, number of measurements and choice of intermediate points. Our novel approach minimises parameter error and costs, and maximises experimental efficiency. It is applicable to many areas of ocular drug design, including receptor-ligand binding and immunoglobulin binding, and should be an important tool in ocular drug discovery.