Modelagem e otimização por metodologia de superfícies de resposta: um estudo em arames de aço SAE 9254 para molas automobilísticas

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Interaction Between Nitrous Oxide, Sevoflurane, and Opioids: A Response Surface Approach

BACKGROUND:: The interaction of sevoflurane and opioids can be described by response surface modeling using the hierarchical model. We expanded this for combined administration of sevoflurane, opioids, and 66 vol.% nitrous oxide (N2O), using historical data on the motor and hemodynamic responsiveness to incision, the minimal alveolar concentration, and minimal alveolar concentration to block autonomic reflexes to nociceptive stimuli, respectively. METHODS:: Four potential actions of 66 vol.% N2O were postulated: (1) N2O is equivalent to A ng/ml of fentanyl (additive); (2) N2O reduces C50 of fentanyl by factor B; (3) N2O is equivalent to X vol.% of sevoflurane (additive); (4) N2O reduces C50 of sevoflurane by factor Y. These four actions, and all combinations, were fitted on the data using NONMEM (version VI, Icon Development Solutions, Ellicott City, MD), assuming identical interaction parameters (A, B, X, Y) for movement and sympathetic responses. RESULTS:: Sixty-six volume percentage nitrous oxide evokes an additive effect corresponding to 0.27 ng/ml fentanyl (A) with an additive effect corresponding to 0.54 vol.% sevoflurane (X). Parameters B and Y did not improve the fit. CONCLUSION:: The effect of nitrous oxide can be incorporated into the hierarchical interaction model with a simple extension. The model can be used to predict the probability of movement and sympathetic responses during sevoflurane anesthesia taking into account interactions with opioids and 66 vol.% N2O.

Sevoflurane remifentanil interaction: comparison of different response surface models

Various pharmacodynamic response surface models have been developed to quantitatively describe the relationship between two or more drug concentrations with their combined clinical effect. We examined the interaction of remifentanil and sevoflurane on the probability of tolerance to shake and shout, tetanic stimulation, laryngeal mask airway insertion, and laryngoscopy in patients to compare the performance of five different response surface models.

Hypnotic and opioid anesthetic drug interactions on the CNS, focus on response surface modeling

This chapter will present the conceptual and applied approaches to capture the interaction of anesthetic hypnotic drugs with opioid drugs, as used in the clinical anesthetic state. The graphic and mathematical approaches used to capture hypnotic/opiate anesthetic drug interactions will be presented. This chapter is not a review article about interaction modeling, but focuses on specific drug interactions within a quite narrow field, anesthesia.

A stochastic model updating method for parameter variability quantification based on response surface models and Monte Carlo simulation

Stochastic model updating must be considered for quantifying uncertainties inherently existing in real-world engineering structures. By this means the statistical properties,instead of deterministic values, of structural parameters can be sought indicating the parameter variability. However, the implementation of stochastic model updating is much more complicated than that of deterministic methods particularly in the aspects of theoretical complexity and low computational efficiency. This study attempts to propose a simple and cost-efficient method by decomposing a stochastic updating process into a series of deterministic ones with the aid of response surface models and Monte Carlo simulation. The response surface models are used as surrogates for original FE models in the interest of programming simplification, fast response computation and easy inverse optimization. Monte Carlo simulation is adopted for generating samples from the assumed or measured probability distributions of responses. Each sample corresponds to an individual deterministic inverse process predicting the deterministic values of parameters. Then the parameter means and variances can be statistically estimated based on all the parameter predictions by running all the samples. Meanwhile, the analysis of variance approach is employed for the evaluation of parameter variability significance. The proposed method has been demonstrated firstly on a numerical beam and then a set of nominally identical steel plates tested in the laboratory. It is found that compared with the existing stochastic model updating methods, the proposed method presents similar accuracy while its primary merits consist in its simple implementation and cost efficiency in response computation and inverse optimization.

Hybrid multi-objective optimization and hybridized self-organizing response surface method

Numerical optimization is a technique where a computer is used to explore design parameter combinations to find extremes in performance factors. In multi-objective optimization several performance factors can be optimized simultaneously. The solution to multi-objective optimization problems is not a single design, but a family of optimized designs referred to as the Pareto frontier. The Pareto frontier is a trade-off curve in the objective function space composed of solutions where performance in one objective function is traded for performance in others. A Multi-Objective Hybridized Optimizer (MOHO) was created for the purpose of solving multi-objective optimization problems by utilizing a set of constituent optimization algorithms. MOHO tracks the progress of the Pareto frontier approximation development and automatically switches amongst those constituent evolutionary optimization algorithms to speed the formation of an accurate Pareto frontier approximation. Aerodynamic shape optimization is one of the oldest applications of numerical optimization. MOHO was used to perform shape optimization on a 0.5-inch ballistic penetrator traveling at Mach number 2.5. Two objectives were simultaneously optimized: minimize aerodynamic drag and maximize penetrator volume. This problem was solved twice. The first time the problem was solved by using Modified Newton Impact Theory (MNIT) to determine the pressure drag on the penetrator. In the second solution, a Parabolized Navier-Stokes (PNS) solver that includes viscosity was used to evaluate the drag on the penetrator. The studies show the difference in the optimized penetrator shapes when viscosity is absent and present in the optimization. In modern optimization problems, objective function evaluations may require many hours on a computer cluster to perform these types of analysis. One solution is to create a response surface that models the behavior of the objective function. Once enough data about the behavior of the objective function has been collected, a response surface can be used to represent the actual objective function in the optimization process. The Hybrid Self-Organizing Response Surface Method (HYBSORSM) algorithm was developed and used to make response surfaces of objective functions. HYBSORSM was evaluated using a suite of 295 non-linear functions. These functions involve from 2 to 100 variables demonstrating robustness and accuracy of HYBSORSM.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Experimental investigation on extruded snack products from rice and Mung bean : optimization of parameters

Experiments were undertaken to study effect of initial conditions on the expansion ratio of two grains in a laboratory scale, single speed, single screw extruder at Naresuan University, Thailand. Jasmine rice and Mung bean were used as the material. Three different initial moisture contents were adjusted for the grains and classified them into three groups according to particle sizes. Mesh sizes used are 12 and 14. Expansion ratio was measured at a constant barrel temperature of 190oC. Response surface methodology was used to obtain optimum conditions between moisture content and particle size of the materials concerned.

Aspects of the kinetics and solubility of silica and calcium oxalate composites in sugar solutions

Fouling of industrial surfaces by silica and calcium oxalate can be detrimental to a number of process streams. Solution chemistry plays a large roll in the rate and type of scale formed on industrial surfaces. This study is on the kinetics and thermodynamics of SiO2 and calcium oxalate composite formation in solutions containing Mg2+ ions, trans-aconitic acid and sucrose, to mimic factory sugar cane juices. The induction time (ti) of silicic acid polymerization is found to be dependent on the sucrose concentration and SiO2 supersaturation ratio (SS). Generalized kinetic and solubility models are developed for SiO2 and calcium oxalate in binary systems using response surface methodology. The role of sucrose, Mg, trans-aconitic acid, a mixture of Mg and trans-aconitic acid, SiO2 SS ratio and Ca in the formation of com- posites is explained using the solution properties of these species including their ability to form complexes.

Firm-customer mobile digital connectedness : conceptualization, measurement and implications

Firm-customer digital connectedness for effective sensing and responding is a strategic imperative for contemporary competitive firms. This research-in-progress paper conceptualizes and operationalizes the firm-customer mobile digital connectedness of a smart-mobile customer. The empirical investigation focuses on mobile app users and the impact of mobile apps on customer expectations. Based on pilot data collected from 127 customers, we tested hypotheses pertaining to firm-customer mobile digital connectedness and customer expectations. Our test analysis using linear and non-linear postulations reveals those customers raise their expectations as they increase their digital interactions with a firm.

Degradation of hydroxycinnamic acid mixtures in aqueous sucrose solutions by the Fenton process

The degradation efficiencies and behaviors of caffeic acid (CaA), p-coumaric acid (pCoA) and ferulic acid (FeA) in aqueous sucrose solutions containing the mixture of these hydroxycinnamic acids (HCAs) mixtures were studied by the Fenton oxidation process. Central composite design and multi-response surface methodology were used to evaluate and optimize the interactive effects of process parameters. Four quadratic polynomial models were developed for the degradation of each individual acid in the mixture and the total HCAs degraded. Sucrose was the most influential parameter that significantly affected the total amount of HCA degraded. Under the conditions studied there was < 0.01% loss of sucrose in all reactions. The optimal values of the process parameters for a 200 mg/L HCA mixture in water (pH 4.73, 25.15 °C) and sucrose solution (13 mass%, pH 5.39, 35.98 °C) were 77% and 57% respectively. Regression analysis showed goodness of fit between the experimental results and the predicted values. The degradation behavior of CaA differed from those of pCoA and FeA, where further CaA degradation is observed at increasing sucrose and decreasing solution pH. The differences (established using UV/Vis and ATR-FTIR spectroscopy) were because, unlike the other acids, CaA formed a complex with Fe(III) or with Fe(III) hydrogen-bonded to sucrose, and coprecipitated with lepidocrocite, an iron oxyhydroxide.