Identifying the preferred subset of enzymatic profiles in nonlinear kinetic metabolic models via multiobjective global optimization and pareto filters

Optimization models in metabolic engineering and systems biology focus typically on optimizing a unique criterion, usually the synthesis rate of a metabolite of interest or the rate of growth. Connectivity and non-linear regulatory effects, however, make it necessary to consider multiple objectives in order to identify useful strategies that balance out different metabolic issues. This is a fundamental aspect, as optimization of maximum yield in a given condition may involve unrealistic values in other key processes. Due to the difficulties associated with detailed non-linear models, analysis using stoichiometric descriptions and linear optimization methods have become rather popular in systems biology. However, despite being useful, these approaches fail in capturing the intrinsic nonlinear nature of the underlying metabolic systems and the regulatory signals involved. Targeting more complex biological systems requires the application of global optimization methods to non-linear representations. In this work we address the multi-objective global optimization of metabolic networks that are described by a special class of models based on the power-law formalism: the generalized mass action (GMA) representation. Our goal is to develop global optimization methods capable of efficiently dealing with several biological criteria simultaneously. In order to overcome the numerical difficulties of dealing with multiple criteria in the optimization, we propose a heuristic approach based on the epsilon constraint method that reduces the computational burden of generating a set of Pareto optimal alternatives, each achieving a unique combination of objectives values. To facilitate the post-optimal analysis of these solutions and narrow down their number prior to being tested in the laboratory, we explore the use of Pareto filters that identify the preferred subset of enzymatic profiles. We demonstrate the usefulness of our approach by means of a case study that optimizes the ethanol production in the fermentation of Saccharomyces cerevisiae.

Optimization of KOH etching process to obtain textured substrates suitable for heterojunction solar cells fabricated by HWCVD

In this work, we have studied the texturization process of (100) c-Si wafers using a low concentration potassium hydroxide solution in order to obtain good quality textured wafers. The optimization of the etching conditions have led to random but uniform pyramidal structures with good optical properties. Then, symmetric heterojunctions were deposited by Hot-Wire CVD onto these substrates and the Quasi-Steady-State PhotoConductance technique was used to measure passivation quality. Little degradation in the effective lifetime and implicit open circuit voltage of these devices (< 20 mV) was observed in all cases. It is especially remarkable that for big uniform pyramids, the open-circuit voltage is comparable to the values obtained on flat substrates.

Design and optimization of selfnanoemulsifying drug delivery systems for enhanced dissolution of gemfibrozil

Self-nanoemulsifying drug delivery systems of gemfibrozil were developed under Quality by Design approach for improvement of dissolution and oral absorption. Preliminary screening was performed to select proper components combination. BoxBehnken experimental design was employed as statistical tool to optimize the formulation variables, X1 (Cremophor® EL), X2 (Capmul® MCM-C8), and X3 (lemon essential oil). Systems were assessed for visual characteristics (emulsification efficacy), turbidity, droplet size, polydispersity index and drug release. Different pH media were also assayed for optimization. Following optimization, the values of formulation components (X1, X2, and X3) were 32.43%, 29.73% and 21.62%, respectively (16.22% of gemfibrozil). Transmission electron microscopy demonstrated spherical droplet morphology. SNEEDS release study was compared to commercial tablets. Optimized SNEDDS formulation of gemfibrozil showed a significant increase in dissolution rate compared to conventional tablets. Both formulations followed Weibull mathematical model release with a significant difference in td parameter in favor of the SNEDDS. Equally amodelistic parameters were calculated being the dissolution efficiency significantly higher for SNEDDS, confirming that the developed SNEDDS formulation was superior to commercial formulation with respect to in vitro dissolution profile. This paper provides an overview of the SNEDDS of the gemfibrozil as a promising alternative to improve oral absorption.

Integrated Project Portfolio Management as a Tool for Strategic Steering and Business Control

Tutkielman päätavoitteena oli tutkia miten projektisalkun hallinnalla voidaan tukea organisaation strategista ohjausta ja liiketoimintaa. Tämän lisäksi avaintavoitteina oli kuvata projektisalkun hallinnan nykytilanne kohdeyrityksessä, paljastaa erityisiä kehitystarpeita ja lopulta luoda kohdeyrityksen projektisalkunhallinnalle tavoitetila. Kirjallisuuskatsauksessa pohdittiin projektisalkun hallinnan roolia ja tavoitteita, projektisalkun hallinnassa käyttävää prosessia, sekä menetelmiä ja tekniikoita, joilla salkkua hallitaan. Työn empiirisessä osassa syvennyttiin tutkimaan projektinsalkun hallintaan liittyviä erityispiirteitä kohdeyrityksessä. Tutkimustulosten huolellinen analysointi osoitti, että aikaisempi kirjallisuus ei riittävästi huomioi kokonaisvaltaisen, integroidun lähestymistavan tarvetta ja viestinnän tärkeyttä projektisalkun hallinnassa. Tutkimuksen johtopäätöksinä luotiin uusi integroitu projektisalkun hallintamalli ja määriteltiin kohdeyritykselle projektisalkun hallinnan tavoitetila sekä ne kehitysaskeleet, joita yrityksen tulisi lähitulevaisuudessa ottaa.

Normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin

Evoluutioalgoritmit ovat viime vuosina osoittautuneet tehokkaiksi menetelmiksi globaalien optimointitehtävien ratkaisuun. Niiden vahvuutena on etenkin yleiskäyttöisyys ja kyky löytää globaali ratkaisu juuttumatta optimoitavan tavoitefunktion paikallisiin optimikohtiin. Tässä työssä on tavoitteena kehittää uusi, normaalijakaumaan perustuva mutaatio-operaatio differentiaalievoluutioalgoritmiin, joka on eräs uusimmista evoluutiopohjaisista optimointialgoritmeista. Menetelmän oletetaan vähentävän entisestään sekä populaation ennenaikaisen suppenemisen, että algoritmin tilojen juuttumisen riskiä ja se on teoreettisesti osoitettavissa suppenevaksi. Tämä ei päde alkuperäisen differentiaalievoluution tapauksessa, koska on voitu osoittaa, että sen tilanmuutokset voivat pienellä todennäköisyydellä juuttua. Työssä uuden menetelmän toimintaa tarkastellaan kokeellisesti käyttäen testiongelmina monirajoiteongelmia. Rajoitefunktioiden käsittelyyn käytetään Jouni Lampisen kehittämää, Pareto-optimaalisuuden periaatteeseen perustuvaa menetelmää. Samalla saadaan kerättyä lisää kokeellista näyttöä myös tämän menetelmän toiminnasta. Kaikki käytetyt testiongelmat kyettiin ratkaisemaan sekä alkuperäisellä differentiaalievoluutiolla, että uutta mutaatio-operaatiota käyttävällä versiolla. Uusi menetelmä osoittautui kuitenkin luotettavammaksi sellaisissa tapauksissa, joissa alkuperäisellä algoritmilla oli vaikeuksia. Lisäksi useimmat ongelmat kyettiin ratkaisemaan luotettavasti pienemmällä populaation koolla kuin alkuperäistä differentiaalievoluutiota käytettäessä. Uuden menetelmän käyttö myös mahdollistaa paremmin sellaisten kontrolliparametrien käytön, joilla hausta saadaan rotaatioinvariantti. Laskennallisesti uusi menetelmä on hieman alkuperäistä differentiaalievoluutiota raskaampi ja se tarvitsee yhden kontrolliparametrin enemmän. Uusille kontrolliparametreille määritettiin kuitenkin mahdollisimman yleiskäyttöiset arvot, joita käyttämällä on mahdollista ratkaista suuri joukko erilaisia ongelmia.

Rapid optimization of drug combinations for the optimal angiostatic treatment of cancer.

Drug combinations can improve angiostatic cancer treatment efficacy and enable the reduction of side effects and drug resistance. Combining drugs is non-trivial due to the high number of possibilities. We applied a feedback system control (FSC) technique with a population-based stochastic search algorithm to navigate through the large parametric space of nine angiostatic drugs at four concentrations to identify optimal low-dose drug combinations. This implied an iterative approach of in vitro testing of endothelial cell viability and algorithm-based analysis. The optimal synergistic drug combination, containing erlotinib, BEZ-235 and RAPTA-C, was reached in a small number of iterations. Final drug combinations showed enhanced endothelial cell specificity and synergistically inhibited proliferation (p < 0.001), but not migration of endothelial cells, and forced enhanced numbers of endothelial cells to undergo apoptosis (p < 0.01). Successful translation of this drug combination was achieved in two preclinical in vivo tumor models. Tumor growth was inhibited synergistically and significantly (p < 0.05 and p < 0.01, respectively) using reduced drug doses as compared to optimal single-drug concentrations. At the applied conditions, single-drug monotherapies had no or negligible activity in these models. We suggest that FSC can be used for rapid identification of effective, reduced dose, multi-drug combinations for the treatment of cancer and other diseases.

The Optimization of Flotation Process Parameters in the Deinking Plant

Tämän diplomityön tavoitteena oli sekundäärisen esiflotaation optimointi Stora Enso Sachsen GmbH:n tehtaalla. Optimoinnin muuttujana käytettiin vaahdon määrää ja optimointiparametreinä ISO-vaaleutta, saantoja sekä tuhkapitoisuutta. Lisäksi tutkittiin flotaatiosakeuden vaikutusta myös muihin tehtaan flotaatioprosesseihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin flotaatiotapahtumaa, poistettavien partikkeleiden ja ilmakuplien kontaktia, vaahdon muodostumista sekä tärkeimpiä käytössä olevia siistausflotaattoreiden laiteratkaisuja. Kokeellisessa osassa tutkittiin flotaatiosakeuden pienetämisen vaikutuksia tehtaan flotaatioprosesseihin tuhkapitoisuuden, ISO-vaaleuden, valon sironta- ja valon absorpiokerrointen kannalta. Sekundäärisen esiflotaation optimonti suoritettiin muuttamalla vaahdon määrää kolmella erilaisella injektorin koolla, (8 mm, 10 mm ja 13 mm), joista keskimmäinen kasvattaa 30 % massan tilavuusvirtaa ilmapitoisuuden muodossa. Optimonnin tarkoituksena oli kasvattaa hyväksytyn massajakeen ISO-vaaleutta, sekä kasvattaa kuitu- ja kokonaissaantoa sekundäärisessä esiflotaatiossa. Flotaatiosakeuden pienentämisellä oli edullisia vaikutuksia ISO-vaaleuteen ja valon sirontakertoimeen kussakin flotaatiossa. Tuhkapitoisuus pieneni sekundäärisissä flotaatioissa enemmän sakeuden ollessa pienempi, kun taas primäärisissä flotaatiossa vaikutus oli päinvastainen. Valon absorptiokerroin parani jälkiflotaatioissa alhaisemmalla sakeudella, kun taas esiflotaatioissa vaikutus oli päinvastainen. Sekundäärisen esiflotaation optimoinnin tuloksena oli lähes 5 % parempi ISO-vaaleus hyväksytyssä massajakeessa. Kokonaissaanto parani optimoinnin myötä 5 % ja kuitusaanto 2 %. Saantojen nousu tuottaa vuosittaisia säästöjä siistauslaitoksen tuotantokapasiteetin noustessa 0,5 %. Tämän lisäksi sekundäärisessä esiflotaatiossa rejektoituvan massavirran pienentyminen tuottaa lisäsäästöjä tehtaan voimalaitoksella.

Some optimization and decision problems in proportional reinsurance

Reinsurance is one of the tools that an insurer can use to mitigate the underwriting risk and then to control its solvency. In this paper, we focus on the proportional reinsurance arrangements and we examine several optimization and decision problems of the insurer with respect to the reinsurance strategy. To this end, we use as decision tools not only the probability of ruin but also the random variable deficit at ruin if ruin occurs. The discounted penalty function (Gerber & Shiu, 1998) is employed to calculate as particular cases the probability of ruin and the moments and the distribution function of the deficit at ruin if ruin occurs.

Yrityksen asema Suomen rakennuskonevuokrausmarkkinoilla

Rakennuskoneiden osuus rakentamisen kokonaiskustannuksista on 3 – 6 % rakennushankkeen tyypistä riippuen. Perinteisesti vuokrakoneita valittaessa hinta on ollut suurin valintaan vaikuttava tekijä. Uudenaikaisten rakennuskoneiden tehokkaalla käytöllä ja työnsuunnitelulla voidaan rakentamisen kokonaiskustannuksia alentaa. Tutkimuksen tavoitteena oli tehdä toimiala-analyysi Suomen ja osin ulkomaiden rakennuskonevuokrausmarkkinoista ja saadun tiedon avulla analysoida NCC Finland Oy:n mahdollisuuksia toimialalla. Tutkimuksessa markkinoiden kokoa ja yritysten menestystekijöitä näillä markkinoilla arvioitiin erilaisin menetelmin. NCC:n osalta tehtiin liiketoimintasuunnitelma kalustoliiketoiminnan kehittämiseksi. Keskeisenä tutkimustuloksena oli havainto markkinoiden kasvusta ja kilpailun kansainvälistymisestä. Toimialan menestystekijöiksi nousivat oikea tuotevalikoima, toiminnan sisäinen tehokkuus ja osaava henkilökunta sekä palveluiden oikea hinnoittelu. Toimenpide-ehdotuksena NCC:lle esitetään toimintojen yhdenmukaistamista, tuotevalikoiman uudelleenarviointia ja toimintojen yleistä tehostamista. Jatkotutkimuksen tarvetta on sopivien yhteistyökumppaneiden kartoittamisessa sekä ulkopuolisille markkinoille suuntautuvan toimintamallin rakentamisessa.

A Reappraisal of the Allocation Puzzle through the Portfolio Approach

Paradoxically, high-growth, high-investment developing countries tend to experience capital outflows. This paper shows that this allocation puzzle can be explained simply by introducing uninsurable idiosyncratic investment risk in the neoclassical growth model with international trade in bonds, and by taking into account not only TFP catch-up, but also the capital wedge, that is, the distortions on the return to capital. The model fits the two following facts, documented on a sample of 67 countries between 1980 and 2003: (i) TFP growth is positively correlated with capital outflows in a sample including creditor countries; (ii) the long-run level of capital per efficient unit of labor is positively correlated with capital outflows. Consistently, we show that the capital flows predicted by the model are positively correlated with the actual ones in this sample once the capital wedge is accounted for. The fact that Asia dominates global imbalances can be explained by its relatively low capital wedge.

The Dynamic Customer Portfolio Method in Customer Relationship Management

Tutkielman tavoitteena on määritellä keskeiset ja sopivat asiakasportfoliomallit ja asiakasmatriisit asiakassuhteen määrittämiseen. Tutkimus keskittyy asiakassuhteen arvottamiseen ja avainasiakkaiden määrittämiseen kohdeyrityksessä. Keskeisimmät ja sopivimmat asiakasportfliomallit huomioidaan asiakkaiden arvioinnissa. Tutkielman teoriaosassa esitellään tunnetuimmat ja käytetyimmät asiakasportfoliomallit ja matriisit alan kirjallisuuden perusteella. Tämän lisäksi asiakasportfoliomalleihin yhdistetään näkökulmia suhdemarkkinoinnin, asiakkuuksien johtamisen ja tuoteportfolioiden teorioista. Keskeisimmät kirjallisuuden lähteet ovat johtamisen ja markkinoinnin alalta. Tutkielman empiriaosassa esitellään kohdeyritys ja sen tämän hetkinen asiakassuhteiden johtamiskäytäntö. Lisäksi tehdään parannusehdotuksia kohdeyrityksen nykyiseen asiakassuhteiden arvottamismenetelmään jotta asiakassuhteiden arvon laskeminen vastaisi mahdollisimman hyvin kohdeyrityksen nykyisiä tarpeita. Asiakassuhteen arvon määrittämiseksi käytetään myös fokusryhmähaastattelua. Avainasiakkaat määritellään ja tilannetta havainnollistetaan sijoittamalla avainasiakkaat asiakasportfolioon.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Stock and Bond Market Integration: Evidence from Russian Financial Markets

Minimizing the risks of an investment portfolio but not in the favour of expected returns is one of the key interests of an investor. Typically, portfolio diversification is achieved using two main strategies: investing in different classes of assets thought to have little or negative correlations or investing in similar classes of assets in multiple markets through international diversification. This study investigates integration of the Russian financial markets in the time period of January 1, 2003 to December 28, 2007 using daily data. The aim is to test the intra-country and cross-country integration of the Russian stock and bond markets between seven countries. Our test methodology for the short-run dynamics testing is the vector autoregressive model (VAR) and for the long-run cointegration testing we use the Johansen cointegration test which is an extension to VAR. The empirical results of this study show that the Russian stock and bond markets are not integrated in the long-run either at intra-country or cross-country level which means that the markets are relatively segmented. The short-run dynamics are also relatively low. This implies a presence of potential gains from diversification.