Steady-state global optimization of metabolic non-linear dynamic models through recasting into power-law canonical models

Background: Design of newly engineered microbial strains for biotechnological purposes would greatly benefit from the development of realistic mathematical models for the processes to be optimized. Such models can then be analyzed and, with the development and application of appropriate optimization techniques, one could identify the modifications that need to be made to the organism in order to achieve the desired biotechnological goal. As appropriate models to perform such an analysis are necessarily non-linear and typically non-convex, finding their global optimum is a challenging task. Canonical modeling techniques, such as Generalized Mass Action (GMA) models based on the power-law formalism, offer a possible solution to this problem because they have a mathematical structure that enables the development of specific algorithms for global optimization. Results: Based on the GMA canonical representation, we have developed in previous works a highly efficient optimization algorithm and a set of related strategies for understanding the evolution of adaptive responses in cellular metabolism. Here, we explore the possibility of recasting kinetic non-linear models into an equivalent GMA model, so that global optimization on the recast GMA model can be performed. With this technique, optimization is greatly facilitated and the results are transposable to the original non-linear problem. This procedure is straightforward for a particular class of non-linear models known as Saturable and Cooperative (SC) models that extend the power-law formalism to deal with saturation and cooperativity. Conclusions: Our results show that recasting non-linear kinetic models into GMA models is indeed an appropriate strategy that helps overcoming some of the numerical difficulties that arise during the global optimization task.

Consideraciones acerca de los límites de aplicación del método del número de Curva del Soil Conservation Service

En el presente artículo se revisan las limitaciones de aplicación del método del Número de Curva del Soil Conservation Service, modelo conceptual ampliamente difundido para el cálculo de la escorrentía originada por una tormenta. Si bien es cierto que el método posee una serie de capacidades y ventajas que han motivado su éxito en la modelación hidrológica, en particular su simplicidad de uso y la economía en la obtención de los datos físicos necesarios, no es menos cierto que deben contemplarse una serie de restricciones de aplicación. La amplia difusión de la que ha sido objeto ha propiciado la discusión y revisión crítica del modelo, acotando paulatinamente sus límites. Entre los más significativos de éstos, destacan la necesidad de regionalizar, a partir de campañas de aforos, ciertas hipótesis y parámetros del método, así como las precauciones que deben adoptarse si se aplica a cuencas forestales densas con suelos muy permeables.

Power spectral changes of the superimposed M wave during isometric voluntary contractions of increasing strength.

INTRODUCTION: We examined the power spectral changes of the compound muscle action potential (M wave) evoked during isometric contractions of increasing strength. METHODS: Surface electromyography (sEMG) of the vastus lateralis and medialis was recorded from 20 volunteers who performed 4-s step-wise isometric contractions of different intensities. A maximal M wave was elicited by a single stimulus to the femoral nerve and superimposed on the voluntary contractions. The spectral characteristics (Fmean and Fmedian) of sEMG and M-wave signals were calculated. RESULTS: M-wave spectral indicators increased systematically with contraction intensity up to 60% MVC and then leveled off at higher forces. Over the 10-60% MVC range, the increase in spectral indicators was 3 times higher for M waves (36%) than for sEMG (12%). CONCLUSIONS: The consistent increase in M-wave spectral characteristics with force is due to the fact that the number of motor units recruited by the superimposed supramaximal stimulus is approximately stable.

Conservation and management of the Common Quail (Coturnix coturnix) in Europe: past, present and future.

En el presente estudio hacemos una revisión del estado de conservación y las tendencias poblacionales de la codorniz común (Coturnix coturnix) desde 1900 hasta nuestros días. Algunos de los datos de los que disponemos son contradictorios con respecto al estado de la especie, que presenta ciertas características que dificultan el poder proporcionar estimas poblacionales fiables. Datos recientes sugieren claramente, tanto a escala local como a escala transnacional, que las poblaciones atlánticas de codorniz común han permanecido estables en las dos últimas décadas y que la práctica de liberar codornices criadas en granjas (híbridas con la codorniz japonesa, Coturnix japonica) con finalidades cinegéticas, no afectan significativamente a nuestras estimas. Por otra parte, los complejos patrones de desplazamiento de esta especie requieren especial atención. En este sentido, el análisis de recuperaciones de anillas puede aportar información relevante, especialmente de los movimientos nomádicos de codornices a la búsqueda de hábitats adecuados, tras la destrucción de los cultivos invernales de cereales debido a la siega. Así, al desarrollar un modelo de distribución de cría para esta especie, se debe incorporar continuamente información actualizada de los cambios estacionales de hábitat y clima, con el fin de obtener unas predicciones óptimas. En este sentido, por ejemplo, la inclusión de datos quincenales de índices de vegetación en los modelos de distribución ha dado muy buenos resultados. La obtención de predicciones fiables de los cambios de la distribución de la especie y de sus desplazamientos durante la estación de cría puede ser muy útil para un mejor conocimiento del estado de conservación y las tendencias poblacionales de la especie, así como para el diseño de futuras medidas de gestión.

Data-division-specific robustness and power of randomization tests for ABAB designs

This study deals with the statistical properties of a randomization test applied to an ABAB design in cases where the desirable random assignment of the points of change in phase is not possible. In order to obtain information about each possible data division we carried out a conditional Monte Carlo simulation with 100,000 samples for each systematically chosen triplet. Robustness and power are studied under several experimental conditions: different autocorrelation levels and different effect sizes, as well as different phase lengths determined by the points of change. Type I error rates were distorted by the presence of autocorrelation for the majority of data divisions. Satisfactory Type II error rates were obtained only for large treatment effects. The relationship between the lengths of the four phases appeared to be an important factor for the robustness and the power of the randomization test.

Nitrogen Oxides Reduction Possibilities at Pulp Mill and Power Plant

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää typenoksidien vähennysmahdollisuudet Stora Enson Varkauden tehtaiden sellutehtaalla ja voimalaitoksella. Tutkimuksessa käsiteltiin tehdasalueen suurimpia typenoksidien päästölähteitä: soodakattilaa, meesauunia, kuorikattilaa, öljykattilaa ja muovi-alumiinijakeen kaasutuslaitosta. Tutkimuksessa selvitettiin typenoksidipäästöjen syntymekanismit ja erilaisiin polttotekniikoihin soveltuvat typenoksidien vähennystekniikat. Varkauden tehtaiden typenoksidien vuosipäästö vuonna 2001 oli 836 tonnia. Kansallinen lainsäädäntö, kansainväliset sopimukset sekä paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) huomioiden selvitettiin kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvat ratkaisut. Tutkimuksen perusteella laadittiin toimenpideohjelma, joka määrittelee suositeltavan toteutusjärjestyksen typenoksidien vähennystoimenpiteille. Toimenpideohjelman tärkeimpinä kriteereinä pidettiin vuonna 2004 tulevan uuden ympäristöluvan arvioituja luparajoja sekä toimenpiteiden kustannustehokkuutta. Toteutusjärjestyksessä ensimmäiseksi valittiin koeajojakson järjestäminen ajon optimoimiseksi kiertopetikattilalla ja toiseksi meesauunin ajon optimointi jatkuvatoimisen NOx-analysaattorin avulla. Seuraaviksi toimenpiteiksi ehdotettiin vertikaali-ilmajärjestelmän käyttöönottoa soodakattilalla sekä SNCR-järjestelmän asennusta kuorikattilalle. Saavutettava NOx-vähennys tulisi olemaan 10 – 45 % ja hinta 30 – 3573 EUR vähennettyä NOx-tonnia kohti. Tutkimuksen osana Ilmatieteen laitoksella teetetyn typenoksidien leviämisselvityksen mukaan Stora Enson tehtaiden NOx-päästöjen vaikutus Varkauden ilmanlaatuun on hyvin pieni. Suurin osa NOx-päästöistä aiheutuu liikenteestä.

Energiataseen hallinta ja optimointi metsäteollisuusintegraatissa

Diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan tehtailla Lappeenrannassa. Integroidussa metsäteollisuudessa energiantuotanto koostuu yleensä sähkön- ja lämmöntuotannosta. Kaukaan tehtailla prosessien lämmöntarve saadaan katettua kokonaisuudessaan omalla tuotannolla, kun taas kulutetusta sähköstä ainoastaan puolet on tuotettu itse. Loput sähköntarpeesta joudutaan ostamaan ulkopuolelta. Tutkimuksen pääpaino on ollut selvittää, miten kustannukset ovat riippuvaisia energiantuotannosta erilaisissa käyttöolosuhteissa. Työn tuloksena on luotu tietokonepohjainen laskentamalli, jonka avulla Kaukaan tehtaiden energiantuotantoa voidaan ohjata taloudellisesti optimaalisimmalla tavalla kulloinkin vallitsevassa käyttötilanteessa. Lisäksi tutkimuksessa on analysoitu tehdasintegraatin lämmönkulutuksen seurannan mahdollisuuksia lämmönsiirtoverkon nykyisten mittausten perusteella. Työssä on kerrottu yleisesti metsäteollisuuden energiankulutuksesta Suomessa. Lisäksi on esitetty arvioita energiankulutuksen kehityksestä tulevaisuudessa sekä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi. Kaukaan tehtailla lämmönkulutuksen seurantaan käytettävät mittausmenetelmät ja -laitteet on esitelty virtausmittausten osalta sekä arvioitu nykyisten mittausten luotettavuutta ja riittävyyttä kokonaisvaltaisen lämpötaseen hallintaan. Kaukaan tehtaiden energiantuotantojärjestelmästä on luotu termodynaaminen malli, johon energiantuotannosta aiheutuneiden kustannusten laskenta perustuu. Energiantuotannon optimoinnilla pyritään määrittelemään tietyn tarkasteluhetken käyttötilanteessa taloudellisesti optimaalisin kattiloiden ajojärjestys. Tarkastelu on rajattu lämmöntuotannon lisäämisen osalta maakaasun käytön lisäämiseen ja höyryturbiinien ohitukseen. Sähkön ja maakaasun hinnan sekä ympäristön lämpötilan vaihtelujen vaikutusta optimaaliseen ajojärjestykseen on havainnollistettu esimerkkien avulla.