Applying design of experiments (DOE) to flavonoid extraction from Passiflora alata and P. edulis

The Passifloraceae family is extensively used in native Brazilian folk medicine to treat a wide variety of diseases. The problem of flavonoid extraction from Passiflora was treated by application of design of experiments (DOE), as an experiment with mixture including one categorical process variable. The components of the binary mixture were: ethanol (component A) and water (component B); the categorical process variable: extraction method (factor C) was varied at two levels: (+1) maceration and (-1) percolation. ANOVA suggested a cubic model for P. edulis extraction and a quadratic model for P. alata.These results indicate that the proportion of components A and B in the mixture is the main factor involved in significantly increasing flavonoid extraction. In regard to the extraction methods, no important differences were observed, which indicates that these two traditional extraction methods could be effectively used to extract flavonoids from both medicinal plants. The evaluation of antioxidant activity of the extract by ORAC method showed that P. edulis displays twice as much antioxidant activity as P. alata. Considering that maceration is a simple, rapid and environmentally friendly extraction method, in this study, the optimized conditions for flavonoid extraction from these Passiflora species is maceration with 75% ethanol for P. edulis and 50% ethanol for P. alata.

Optimisation of a two-liquid component pre-filled acrylic bone cement system: A design of experiments approach to optimise cement final properties

The initial composition of acrylic bone cement along with the mixing and delivery technique used can influence its final properties and therefore its clinical success in vivo. The polymerisation of acrylic bone cement is complex with a number of processes happening simultaneously. Acrylic bone cement mixing and delivery systems have undergone several design changes in their advancement, although the cement constituents themselves have remained unchanged since they were first used. This study was conducted to determine the factors that had the greatest effect on the final properties of acrylic bone cement using a pre-filled bone cement mixing and delivery system. A design of experiments (DoE) approach was used to determine the impact of the factors associated with this mixing and delivery method on the final properties of the cement produced. The DoE illustrated that all factors present within this study had a significant impact on the final properties of the cement. An optimum cement composition was hypothesised and tested. This optimum recipe produced cement with final mechanical and thermal properties within the clinical guidelines and stated by ISO 5833 (International Standard Organisation (ISO), International standard 5833: implants for surgery—acrylic resin cements, 2002), however the low setting times observed would not be clinically viable and could result in complications during the surgical technique. As a result further development would be required to improve the setting time of the cement in order for it to be deemed suitable for use in total joint replacement surgery.

The implementation of a design of experiments strategy to increase recombinant protein yields in yeast (review)

Biological processes are subject to the influence of numerous factors and their interactions, which may be non-linear in nature. In a recombinant protein production experiment, understanding the relative importance of these factors, and their influence on the yield and quality of the recombinant protein being produced, is an essential part of its optimisation. In many cases, implementing a design of experiments (DoE) approach has delivered this understanding. This chapter aims to provide the reader with useful pointers in applying a DoE strategy to improve the yields of recombinant yeast cultures.

The implementation of a design of experiments strategy to increase recombinant protein yields in yeast (review)

Biological processes are subject to the influence of numerous factors and their interactions, which may be non-linear in nature. In a recombinant protein production experiment, understanding the relative importance of these factors, and their influence on the yield and quality of the recombinant protein being produced, is an essential part of its optimisation. In many cases, implementing a design of experiments (DoE) approach has delivered this understanding. This chapter aims to provide the reader with useful pointers in applying a DoE strategy to improve the yields of recombinant yeast cultures.

Design of experiments to study the impact of process parameters on droplet size and development of non-invasive imaging techniques in tablet coating

Atomisation of an aqueous solution for tablet film coating is a complex process with multiple factors determining droplet formation and properties. The importance of droplet size for an efficient process and a high quality final product has been noted in the literature, with smaller droplets reported to produce smoother, more homogenous coatings whilst simultaneously avoiding the risk of damage through over-wetting of the tablet core. In this work the effect of droplet size on tablet film coat characteristics was investigated using X-ray microcomputed tomography (XμCT) and confocal laser scanning microscopy (CLSM). A quality by design approach utilising design of experiments (DOE) was used to optimise the conditions necessary for production of droplets at a small (20 μm) and large (70 μm) droplet size. Droplet size distribution was measured using real-time laser diffraction and the volume median diameter taken as a response. DOE yielded information on the relationship three critical process parameters: pump rate, atomisation pressure and coating-polymer concentration, had upon droplet size. The model generated was robust, scoring highly for model fit (R2 = 0.977), predictability (Q2 = 0.837), validity and reproducibility. Modelling confirmed that all parameters had either a linear or quadratic effect on droplet size and revealed an interaction between pump rate and atomisation pressure. Fluidised bed coating of tablet cores was performed with either small or large droplets followed by CLSM and XμCT imaging. Addition of commonly used contrast materials to the coating solution improved visualisation of the coating by XμCT, showing the coat as a discrete section of the overall tablet. Imaging provided qualitative and quantitative evidence revealing that smaller droplets formed thinner, more uniform and less porous film coats.

Design of experiments to optimized the determination of TDIs in agglomerated cork stoppers

Isocyanates are included into a class with an extreme commercial importance because their use in the manufacture of polyurethanes. Polyurethanes are used in several applications such as adhesives, coatings, foams, thermoplastics resins, printing inks, foundry moulds and rubbers. Agglomerated cork stoppers are currently used for still wines, semi-sparkle and gaseous wines, beer and cider. Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is presently the isocyanate used in the production of polyurethane based adhesive in use due to its lowest toxicity comparing with toluene diisocyanate (TDI) previously employed. However, free monomeric TDI or MDI, depending on the based polyurethane, can migrate from agglomerated cork stoppers to beverages therefore it needs to be under control. The presence of these compounds are usually investigated by HPLC with Fluorescence or UV-Vis detector depending on the derivatising agent. Ultra Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detector (UPLC-DAD) method is replacing HPLC. The objective of this study is to determine which method is better to analyze isocyanates from agglomerated cork stoppers, essentially TDI to quantify its monomer. A Design of Experiments (DOE) with three factors, column temperature, flow and solvent, at two levels was done. Eight experiments with three replications and two repetitions were developed. Through an ANOVA the significance of the factors was evaluated and the best level’s factors were selected. As the TDI has two isomers and in this method these two isomers were not always separated an ANOVA with results of resolution between peaks was performed. The Design of Experiments reveals to be a suitable statistical tool to determine the best conditions to quantified free isocyanates from agglomerated cork stoppers to real foodstuff. The best level’s factors to maximize area was column temperature at 30ºC, flow to 0,3 mL/min and solvent 0,1% Ammonium Acetate, to maximize resolution was the same except the solvent that was 0,01% Ammonium Acetate.

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.

Design of experiments for bivariate binary responses modelled by Copula functions

Optimal design for generalized linear models has primarily focused on univariate data. Often experiments are performed that have multiple dependent responses described by regression type models, and it is of interest and of value to design the experiment for all these responses. This requires a multivariate distribution underlying a pre-chosen model for the data. Here, we consider the design of experiments for bivariate binary data which are dependent. We explore Copula functions which provide a rich and flexible class of structures to derive joint distributions for bivariate binary data. We present methods for deriving optimal experimental designs for dependent bivariate binary data using Copulas, and demonstrate that, by including the dependence between responses in the design process, more efficient parameter estimates are obtained than by the usual practice of simply designing for a single variable only. Further, we investigate the robustness of designs with respect to initial parameter estimates and Copula function, and also show the performance of compound criteria within this bivariate binary setting.

Studies on abrasive jet machining through statistical design of experiments

The main objective of statistical analysis of experi- mental investigations is to make predictions on the basis of mathematical equations so as the number of experiments. Abrasive jet machining (AJM) is an unconventional and novel machining process wherein microabrasive particles are propelled at high veloc- ities on to a workpiece. The resulting erosion can be used for cutting, etching, cleaning, deburring, drilling and polishing. In the study completed by the authors, statistical design of experiments was successfully employed to predict the rate of material removal by AJM. This paper discusses the details of such an approach and the findings.

Design of experiments applied to the mix design process of polymer mortar materials modified with GFRP recyclates

In this work, the effect of incorporation of recycled glass fibre reinforced plastics (GFRP) waste materials, obtained by means of shredding and milling processes, on mechanical behavior of polyester polymer mortar (PM) materials was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (between 4% up to 12% in mass), were incorporated into polyester PM materials as sand aggregates and filler replacements. The effect of silane coupling agent addition to resin binder was also evaluated. Applied waste material was proceeding from the shredding of the leftovers resultant from the cutting and assembly processes of GFRP pultrusion profiles. Currently, these leftovers, jointly with unfinished products and scrap resulting from pultrusion manufacturing process, are landfilled, with supplementary added costs. Thus, besides the evident environmental benefits, a viable and feasible solution for these wastes would also conduct to significant economic advantages. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of full factorial design approach and analysis of variance ANOVA. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as aggregates and reinforcement for PM materials, with significant improvements on mechanical properties with regard to non-modified formulations.

Bayesian L-optimal exact design of experiments for biological kinetic models

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optimum design of experiments for statistical inference

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)