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Investigation of energy use in baking bread and small baked goods with special consideration of the formation of thermal reaction products
No full textDie Optimierung des Backprozesses mit dem Ziel einer effizienten Nutzung der Wärme und der Reduzierung unerwünschter Reaktionsprodukte bildeten den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Untersuchung des Einsatzes von Energie zum Backen von Brot und Kleingebäck mit industriellen Durchlaufbacköfen war darauf gerichtet, den energetischen Aufwand in Übereinstimmung mit dem Anspruch an eine hohe Qualität der Produkte zu verbinden. Die Qualitätsmerkmale der Produkte sind im Wesentlichen das Resultat des sie kennzeichnenden Prozessschritts des Backens, der gemäß der Definition des Begriffes für das Backen die Übertragung von Wärme in das Backgut erfordert. Deshalb wurde die Untersuchung auf die Durchführung dieses Prozessschrittes in Durchlaufbacköfen begrenzt.
Die eingesetzten Durchlaufbacköfen übertragen die Wärme in unterschiedlicher Intensität durch Strahlung, Leitung und Konvektion über ein Luft- Rauchgas Gemisch oder erhitztes Thermoöl als Endenergie auf die zu backenden Teiglinge. Die im Backprozess übertragene Wärme auf die zu backenden Teiglinge wurde auf den Brennwert von Heizgas (Methan) als Primärenergie bezogen und in Kilowattstunden pro kg Produkt ausgedrückt. Zur Vereinfachung der Darstellung der Ergebnisse über die Zufuhr an Wärme zum Backen wurde davon ausgegangen, dass die über die Verbrennung von Heizgas generierte Wärme zum Betrieb der fünf Durchlaufbacköfen zu einer gleichen Abgastemperatur geführt hatte. Als Faktor für den Wärmeabgang im Abgas wurde für die Erhitzung von Thermoöl und für die Nutzung von Heißluft in Umwälzöfen der Faktor 1,21 ermittelt.
Da drei der untersuchten fünf Durchlaufbacköfen nicht unter Volllast betrieben werden, wurden die Messergebnisse auf den Volllastbetrieb linear hochgerechnet. Diese Hochrechnung diente der Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Der Aufwand an Wärme für das Erwärmen der Formen wurde der Backwärme zugeordnet.
Die Durchführung der beschriebenen Aufgabenstellung wurde in zwei Teile unterteilt. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Aufwand an Wärme für das Backen von Brot und Kleingebäck in verschiedenen Durchlaufbacköfen gemessen und durch die Transformation auf die Endenergie Erdgas vergleichbar dargestellt. Um die reale Backwärme, die für den Backprozess benötigt wird zu ermitteln, wurde am Beispiel eines Umwälzofens (Ofen A) der Aufwand an Wärme bei vollständiger Beschickung des Ofens mit Backgut sowie im Leerbetrieb gemessen. Die Differenz aus der zugeführten Wärme im Last- und Leerbetrieb bildet die notwendige Backwärme. Parallel zu den durchgeführten Messungen wurde die notwendige Backwärme mittels der spezifischen Wärmekapazitäten der verwendeten Rohstoffe, der Erwärmung und der spezifischen Wärmekapazität der Backformen und des Backverlustes, der in der Berechnung vollständig als Wasserdampf betrachtet wurde, berechnet. Am Beispiel des Ofens A, stimmten beide Werte für die notwendige Backwärme für Mischbrot zu 99,4% überein. Dieses Ergebnis war für die Durchführung der Untersuchung von ausschlaggebender Bedeutung, weil es dadurch möglich ist, über die gemessene Zufuhr an Wärme aus dem Rauchgas oder der Zufuhr der darauf bezogenen Wärme aus dem erhitzten Thermoöl mit dem berechneten Bedarf an Backwärme zu bilanzieren und daraus den thermischen Wirkungsgrad zu ermitteln.
Der ermittelte thermische Wirkungsgrad betrug für den untersuchten Ofen A 68,8%. Dieser Wert konnte bei zwei weiteren Öfen bestätigt werden, so dass nach den vorliegenden Ergebnissen der technisch mögliche Wirkungsgrad bei 68,4 bis 68,9% liegt. Aufgrund der Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Backwärme bei dem Ofen A, wird der Wirkungsgrad von 68,8% und dem daraus berechneten Vergleichsfaktor FV =1,4535 als Faktor für die Berechnung des optimalen Wärmebedarfes von Durchlaufbacköfen verwendet.
Aus den Ergebnissen ist prinzipiell zu schließen, dass der thermische Wirkungsgrad der untersuchten Durchlaufbacköfen bezogen auf die Grenzen der Betrachtung Systems nicht mehr wesentlich gesteigert werden kann. Innerhalb dieser Systemgrenzen sind jedoch Einsparmöglichkeiten für die Zufuhr an Wärme vorhanden.
In jedem Kapitel, die sich auf die Darstellung der Ergebnisse der untersuchten Öfen beziehen, wird das mögliche Einsparungspotential zur Reduzierung der Gesamtwärme beschrieben. Das kann durch eine Optimierung der Produktfolge, durch die Verminderung des Materialeinsatzes für Backformen und Reduzierung des Schwadeneinsatzes erfolgen. Außerhalb der Systemgrenzen des Backprozesses ist es möglich, durch Nutzung der Abwärme im Rauchgas und der Wärme im Backschwaden den Wirkungsgrad der zugeführten Wärme zu erhöhen.
Im zweiten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse der ermittelten Backwärme der untersuchten Durchlaufbacköfen durch die Anwendung wechselnder Intensitäten der Wärmeübertragung in einem Versuchsbackofen optimiert. Für die durchgeführten Versuche wurde ein Versuchsbackofen mit eingebauter Waage als Backfläche verwendet. Die Intensität der forcierten Konvektion ist mit dem Versuchsbackofen variabel einstellbar.
Als Zielgröße für den Backvorgang wurde der in den Großversuchen ermittelte Backverlust festgelegt. Durch die permanente Erfassung des Backverlustes während des Backvorganges konnte der Zielwert des Backprozesses exakt eingehalten werden. Die Backversuche wurden mit unterschiedlichen Prozessvariablen (Temperatur des Thermoöls, Intensität der Konvektion) durchgeführt. Dazu wurde zunächst die Hypothese verifiziert, dass der Backverlust als eine Leitgröße für den gesamten Backvorgang verwendet werden kann. Der Backverlust über die Backzeit wurde für ausgewählte Versuche in Tabellen erfasst und graphisch dargestellt. Es wurde gezeigt, dass bei konstanter Temperatur im Backraum die Übertragung von Wärme in den Teig über die gesamte Backzeit linear verläuft Die graphische Darstellung des Verlaufes zeigt eine sigmoide Kurve, die aus einem linearen realen Teil besteht, der als linearer Anstieg der Kurve verläuft. Dieser Anstieg entspricht der höchsten Rate an Wasserverdampfung aus dem Backgut. Der Anstieg repräsentiert damit das Maximum der Intensität der Übertragung an Wärme, die über die gesamte Zeit des Backvorgangs erfolgt. Die Verlängerung der Geraden bis zum Schnittpunkt mit der y-Achse ergibt den unteren virtuellen Teil der Kurve und die Verlängerung der Geraden bis zum Ende der Backzeit umfasst den oberen virtuellen Teil der Kurve. Diese Gerade repräsentiert insgesamt die konstante Wärmezufuhr in den Teig.
Ein besonderes Problem stellte die Transformation der erhaltenen Ergebnisse auf die Durchlaufbacköfen aufgrund der unterschiedlichen Backflächen des Versuchsofens und der Durchlaufbacköfen dar. Durch die Ermittlung der Wärmezufuhr mit dem V-Backofen konnte mit der spezifischen Wärmezufuhr des jeweiligen Versuches und der spezifischen Wärmezufuhr des Vergleichsofens sowie des technisch möglichen Wirkungsgrades eine Verhältniszahl gebildet werden. Durch die Multiplikation der Verhältniszahl mit der versuchsspezifischen Wärmezufuhr, kann die Einsparung an Wärme für die im Versuch angewendete Wärmeübertragung berechnet werden. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse lässt sich der Wirkungsgrad eines Durchlaufbackofens bei optimalem Wirkungsgrad von >68% und der ermittelten Verhältniszahl vorausberechnen.
Mit dem V-Backofen konnten die Qualitätsparameter der Durchlaufbacköfen mit großer Genauigkeit nachgestellt werden. Mit der Versuchsanordnung für das Weizenmischbrot und dem Erreichen der optimalen Qualität, konnte im V-Backofen bewiesen werden, dass das im Durchlaufbackofen gebackene Brot tatsächlich auch im wärmetechnischen Optimum gebacken wird.
Weiterhin wurde im Rahmen der Backversuche mit dem Versuchsbackofen beim Einsatz von Schwadendampf die kondensierende Wassermenge auf der Brotoberfläche gemessen. Die Kondensatmenge entspricht nur einem geringen Anteil der in der Praxis üblichen Zufuhr an Wasserdampf. Der Wärmeinhalt der im Versuchsbackofen entstandenen Kondensatmenge entsprach der Differenz aus dem berechneten Wärmebedarf und der gemessenen Wärmezufuhr bei den Versuchen mit dem Zusatz von Wasserdampf. Die Zugabe von Schwadendampf führt neben der Wirkung auf die Krustenbildung, zu einer Verkürzung der Backzeit von etwa 10%. Der Schwadendampf hat eine ähnliche Funktion wie die konvektive Übertragung von Wärme.
Im Gegensatz zum Schwadendampf kann die konvektive Übertragung von Wärme aber über die gesamte Backzeit angewendet werden. Dadurch kann diese Art der Wärmeübertragung zur Modulation der Bildung von Reaktionsprodukten, wie Acrylamid und Pyrodextrinen, eingesetzt werden. Die Grundlagen für die Abhandlung dieser Thematik sind in dem letzten experimentellen Kapitel der Untersuchung dargelegt.
Der im Versuchsbackofen ermittelte Kurvenverlauf des Backverlustes über die Zeit besteht aus zwei Wendepunkten, die den linearen Teil der Kurve einschließen. Oberhalb des zweiten Wendepunktes lässt die Wasserverdampfung in die Backatmosphäre aufgrund der fortgeschrittenen Krustenverfestigung nach. In diesem Bereich steigt die Temperatur in der Kruste auf über 180°C und nähert sich der Backraumtemperatur. Durch die hohe Temperatur und die Reduzierung der Krustenfeuchte nimmt die Bildung von Acrylamid stark zu.
Durch die Auswertung der Backkurven kann der kritische Bereich, in dem Acrylamid verstärkt entsteht, mit dem zu diesem Zeitpunkt erreichten Backverlust exakt definiert werden. In der praktischen Umsetzung könnte ab diesem kritischen Punkt die Umgebungstemperatur bzw. die Intensität der Wärmeübertragung reduziert werden, um die Entstehung von Acrylamid zu begrenzen.
Für die Bildung von Acrylamid wird lediglich ein sehr kleiner Anteil des insgesamt im Mehl vorhandenen Ausgangsstoffes, des Asparagins, in Acrylamid umgesetzt. Allerdings korreliert die Reaktion mit dem Gehalt an Asparagin am Bildungsort, einer dünnen Schicht der Kruste. Die Bildung von Acrylamid hängt außerdem von der Anwesenheit geeigneter Reaktionspartner für das Asparagin ab. Diese werden unter den Bedingungen des Backens teilweise neu gebildet, darunter reduzierende Zucker und Pyrodextrine.The optimisation of the baking process with the goal of efficient use of the heat applied and the reduction of undesirable reaction products formed the focus of this study. The investigation of heat expenditure for baking bread and small baked goods in industrial continuous baking ovens (tunnel ovens) aimed to align the heat expenditure with the demand for high product quality. The quality characteristics of the baked products are essentially the result of the characteristic baking process step, which, according to the definition of the term „baking“, requires the transfer of dry heat into the baking goods. Therefore, the study was limited to the implementation of this process step in tunnel ovens.
The applied tunnel ovens transfer indirectly heat via a circulated air-flue gas mixture or via a stream of heated thermal oil as end energy with varying intensities into the dough pieces to be baked. The amount of heat transferred to the dough pieces during the baking process was related to the calorific value of heating gas (methane) as primary energy and expressed in kilowatt hours (kWh) per kilogram (kg) of product. To simplify the presentation of the results regarding the heat input for baking, it was assumed that the heat generated by the combustion of heating gas for the operation of the five tunnel ovens tested had led to an identical exhaust gas temperature of 270 °C.
The amount of heat emitted with the exhaust gas was calculated using this exhaust gas temperature for one of the tunnel ovens (oven A). The calculation showed that 1.97 kWh/m³ of the heating gas entered the exhaust gas. From this results that the proportion of the heating gas used for baking was 1.21 times smaller (F=1.21) than the calorific value of the heating gas used. The factor F=1.21 was used in the same amount to calculate the heat expenditure for heating the thermal oil.
Since three of the tunnel ovens examined were not operated at full load, the measurement results were linearly extrapolated to full load operation. The extrapolation served to ensure comparability of the results. The heat expenditure for heating the baking pans was assigned to the baking heat.
The implementation of the described task was divided into two parts. In the first part of the study, the heat expenditure for baking bread and small baked goods in the various tunnel ovens was measured and converted to the primary energy source natural gas. The actual heat expenditure required for baking was calculated using the example of oven A, operated with hot air at full load and without load. The difference between the two heat expenditures corresponds to the heat transfer into the baked goods during the baking process.
In addition, the expenditure for the heat transfer into the dough pieces was calculated using the heat capacities of the ingredients required for their production and the heat expenditure for generating the baking loss (loss of heat emitted as water vapor from the dough). It was shown that the measured and calculated expenditure for heat for baking mixed wheat bread agreed by 99.4 %. This result was crucial for conducting the study because it made it possible to balance the measured heat generation in the flue gas or the related heat input from the heated thermal oil with the calculated heat required for baking the dough pieces and thus determine the thermal efficiency for baking.
The thermal efficiency for oven A was 68.8 %. This value was confirmed for two of the other tunnel ovens examined, so that, according to the available results, the technically achieved thermal efficiency for such tunnel ovens can be assumed to be in the range of 68.4 - 68.8 %. Due to the agreement between the calculated and measured baking heat values for oven A, the thermal efficiency of 68.8 % and the resulting comparison factor F=1.4535 can be used to calculate the optimal heat demand of tunnel ovens.
From the results, it can be concluded in principle that the thermal efficiency of the tunnel ovens examined cannot be significantly increased beyond the limits of the system. However, within these system limits, there are potential savings in heat expenditure. In each chapter relating to the results for the tunnel ovens examined, the potential savings for reducing the overall heat expenditure are described. Savings can be achieved by optimizing the product sequence, reducing the material used for baking pans, and reducing the amount of steam used to temper the dough pieces. Outside the system boundaries of the baking process, it is possible to utilize the waste heat in the flue gas and the heat in the baking steam.
The second part of the study aimed to optimize the heat expenditure determined for the resulting product quality, which is considered optimal. These experiments were conducted using a specially constructed experimental baking oven, the hotplate of which is designed as a scale, and is operated with heat supplied by hot thermal oil. An additional feature of this experimental baking oven is that the special design of its radiators, according to patent EU 3358957, allows heat to be transferred convectively.
The baking experiments were conducted with the baking loss set constant and varying the process parameters of thermal oil temperature and convection intensity. To this end, the hypothesis that baking loss can be used as a reference parameter for the entire baking process was first verified. The baking loss over the baking time was continuously displayed both in tabular and graphical form using the weighing signal from the beginning to the end of the baking process.
Keeping the temperature of the baking chamber constant, resulted in a linear heat transfer to the dough over the entire baking time. The graphic representation of the heat transfer shows a sigmoid curve, which exhibits a linear increase between the two inversely curved lines. The linear increase corresponds to the highest evaporation rate of water from the dough pieces. The maximum increase thus represents the maximum intensity of the heat transfer, which, according to the hypothesis put forward, is constant throughout the entire baking process. The extension of the straight line up to the intersection with the y- axis results in the lower virtual part of the straight line. The extension of the straight line in the upper part of the curve up to the point of reaching the specified baking loss corresponds to the upper virtual part of the straight line, below which the upper real part of the sigmoid curve runs.
The hypothesis that at constant temperature of the baking chamber the heat input for baking is equal to the product of the measured value for the maximum evaporation rate of water from the dough and the baking time at the set baking loss was verified by recording the heat expenditure and confirmed by calculating the expenditure.
A particular problem was the transformation of the results obtained with the experimental baking oven to the tunnel ovens due to the very large difference between the hotplate of the experimental baking oven and the baking surfaces of the tunnel ovens. This problem was solved by establishing a comparison factor in the form of a ratio. By applying the ratio, the heat expenditure for a specific amount of bread could be predicted very precisely.
Furthermore, the experimental baking oven made it possible to reproduce the quality parameters of the baked goods achieved with the tunnel ovens with great accuracy. By baking the mixed wheat bread under the test parameters used in the experimental baking oven, it was demonstrated that the dough pieces were indeed baked at the optimum thermal temperature.
Weighing-based monitoring of the use of full steam to condition the surface of the dough pieces for baking showed that only a small portion of the steam condensed on the surface of the dough pieces. The amount of heat transferred in this way, in addition to influencing crust formation, shortened the baking time, but did not result in a saving of heat for baking.
In contrast to the use of steam for baking, convective heat transfer for baking can be used throughout the entire baking time. This type of heat transfer can therefore be used to modulate the formation of reaction products such as acrylamide and pyrodextrins. The basis for the discussion of this topic is presented in the last chapter of this study. Of particular interest in this regard is the second inflection point of the baking curve, which indicates a slowing evaporation of water from the crust and is accompanied by crust hardening. In this range, the temperature near the surface of the crust rises to over 180 °C. Due to the high temperature and the reduction in crust moisture, the formation of reaction products, including browning products and acrylamide, increases significantly.
The critical range for the formation of acrylamide can be identified by evaluating the baking curves at the entry point of the upper inflection point of the baking curve. From this point on either the baking chamber temperature or the intensity of heat transfer must be reduced to limit acrylamide formation. For the formation of acrylamide during baking of fermented baked goods it is very advantageous that the fermentation of the dough eliminates some of the incriminated reactants for the formation of acrylamide. Furthermore, only a very small proportion of the total asparagine present in flour is converted into acrylamide. However, the reaction correlates with the asparagine content at the site of its formation, a thin layer of the crust. Under baking conditions, reactants for the formation of acrylamide are partially newly formed, for example reducing sugars and pyrodextrins
Understanding the impact of time pressure and automation support in a visual search task
No full textObjective: To understand the impact of time pressure and automated decision support systems (DSS) in a simulated medical visual search task.
Background: Time pressure usually impairs manual performance in visual search tasks, but DSS support might neutralize this negative effect. Moreover, understanding the impact of time pressure and DSS support seems relevant for many real-world applications of visual search.
Method: We used a visual search paradigm where participants had to search for target letters in a simulated medical image. Participants performed the task either manually or with support of a highly reliable DSS. Time pressure was varied within-subjects by either a trialwise time–pressure manipulation (Experiment 1) or a blockwise manipulation (Experiment 2). Performance was assessed based on signal detection measures. To further analyze visual search behavior, a mouse-over approach was used.
Results: In both experiments, results showed impaired sensitivity under high compared to low time pressure in the manual condition, but no negative effect of time pressure when working with a highly reliable DSS. Moreover, participants searched less under time pressure and when receiving DSS support, indicating participants followed the automation without thoroughly checking recommendations. However, the human-DSS team’s sensitivity was always worse than that of the DSS alone, independent of the strength of time pressure.
Conclusion: Negative effects of time pressure can be ameliorated when receiving support by a DSS, but joint overall performance remains below DSS-alone performance.
Application: Highly reliable DSS seem capable of ameliorating the negative impact of time pressure in complex detection tasks
Cavity-enhanced charge-driven feedback loop in single quantum dot photocurrent spectroscopy
No full textThis study investigates a charge-driven feedback loop on single quantum dots (QDs) embedded in micropillar cavities under electrical readout. The coupled quantum–dot–microcavity system demonstrates a significant reduction in hysteresis under temperature sweep when the QD is in resonance with the cavity mode. To describe the experimental results, we develop a feedback model for the photocurrent response which incorporates a quadratic Stark shift to accurately fit the observed asymmetries and hysteresis in the spectra. Supported by this model, we attribute the observed reduction in hysteresis to an interplay between cavity-enhanced effective excitation power and the competition between radiative and nonradiative recombination by cavity quantum electrodynamics effects in the Purcell regime. This work provides important insights that can guide future optimization of QD-based devices for applications in quantum technologies.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Developing a system reference architecture for assessing risks of heatwaves in residential buildings using a cloud-BIM environment: a design science research approach
No full textPurpose: As climate change accelerates, the frequency and intensity of extreme heat events are rising, making it critical to assess and improve the thermal resilience of residential buildings. Current assessment methods are time-consuming, costly and not easily scalable, while often lacking stakeholder engagement or integration with real-time climate data. This study aims to address these limitations by developing a scalable, cloud-based reference architecture that supports the assessment and mitigation of overheating risk in residential buildings. It offers a systematic approach to improving efficiency, automation and user collaboration within climate adaptation planning.
Design/methodology/approach: The study employs a design science research (DSR) methodology to develop a three-layered reference architecture for overheating risk assessment. The architecture includes a data management layer (building information modelling (BIM), climate and comfort data), a business logic layer (simulation and risk analysis) and an application layer (user interface and decision support). The design was informed by expert input across three evaluation phases and supported by visual tools and mock-up prototypes. Validation was conducted through expert reviews and a strengths, weaknesses, opportunities and threats analysis to assess scalability, technical feasibility and usability.
Findings: The proposed architecture demonstrates the potential to improve thermal risk assessment efficiency by integrating adaptive comfort models, climate projections and stakeholder-driven workflows. Expert evaluations confirmed the system's value in enabling scalable, automated simulation and visualisation of overheating risk across residential buildings. The mock-up interface supports informed decision-making and usability for non-expert users. The layered architecture enhances transparency, modularity and potential for future integration with digital twins or Internet of Things systems. While not yet implemented, the system offers a strong foundation for future software development and real-world application.
Originality/value: The originality of this study lies in the development of a system reference architecture for assessing heatwave risks in residential buildings, aimed at enhancing resilience to extreme heat. Unlike previous frameworks focused on energy or general risk management, this architecture integrates BIM, climate data and adaptive thermal comfort modelling into a single, cloud-based platform. It supports automation, user collaboration and scenario-based decision-making. The framework is designed to assist platform developers, engineers and policymakers in mitigating heatwave risks, improving building performance and advancing climate adaptation efforts within the built environment.EC/H2020/860555/EU/Cloud-based Building Information Modelling/CBI
Sea-undistort: A dataset for through-water image restoration in high-resolution airborne bathymetric mapping
No full textAccurate image-based bathymetric mapping in shallow waters remains challenging due to the complex optical distortions, such as wave-induced patterns, scattering, and sunglint, introduced by the dynamic water surface, the water column properties, and solar illumination. In this work, we introduce Sea-Undistort, a comprehensive synthetic dataset of 1200 paired 512×512 through-water scenes rendered in Blender. Each pair comprises a distortion-free and a distorted view, featuring realistic water effects, such as sun glint, waves, and scattering over diverse seabeds. Accompanied by per-image metadata, such as camera parameters, sun position, and average depth, Sea-Undistort enables supervised training that is otherwise infeasible in real environments. We use Sea-Undistort to benchmark two state-of-the-art image restoration methods alongside an enhanced lightweight diffusion-based framework with an early fusion sun-glint mask. When applied to real aerial data, the enhanced diffusion model delivers more complete digital surface models (DSMs) of the seabed, especially in deeper areas, reduces bathymetric errors, suppresses glint and scattering, and crisply restores fine seabed details. Dataset, weights, and code are publicly available at https://www.magicbathy.eu/Sea-Undistort.html.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025EC/HE/101063294/EU/Multimodal multitAsk learninG for MultIsCale BATHYmetric mapping in shallow waters/MagicBath
A setup for automatic Raman measurements in high‐throughput experimentation
No full textHigh-throughput (HT) experimentation is transforming biotechnology by enabling systematic exploration of complex multi-dimensional experimental conditions. However, current analytical methods are often unable to handle the rapid pace of sample generation in HT workflows. This study presents an integrated system of physical devices and software to automate and accelerate Raman spectral measurements in HT-facilities. The setup simultaneously handles eight parallel 50 μL samples delivered by a pipetting robot, completing measurement, handling, cleaning, and concentration prediction within 45 s per sample. We introduce a machine learning model to predict metabolite concentrations from Raman spectra, achieving mean absolute errors of 0.27 g L −1 for glucose and 0.06 g L −1 for acetate during Escherichia coli cultivations. This approach enables consistent high-throughput spectral data collection for fermentation monitoring, calibration, and offline analysis, supporting the generation of extensive datasets, enabling the training of more robust and generalizable machine learning models.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025BMFTR, 01DD20002A, Verbundprojekt: Internationales Zukunftslabor für KI-gestützte Bioprozessentwicklung "KIWI-biolab"; Teilvorhaben: Koordination und Aufbau eines KI-Exzellenzzentrum
A catalogue of measures for Charlottenburg-Wilmersdorf
No full textDer Berliner Bezirk Charlottenburg-Wilmersdorf spielt eine zentrale Rolle auf dem Weg der Stadt zur Klimaneutralität, ist jedoch weiterhin durch hohe Treibhausgasemissionen und eine begrenzte Kohlenstoffspeicherkapazität gekennzeichnet. Innerhalb einer Studie wurde die Kohlenstoffbilanz des Bezirks analysiert und die räumliche Verteilung von Emissionen sowie das Potenzial lokaler Kohlenstoffsenken wie Wälder, Parks, Gewässer und Böden untersucht. Auf Grundlage von Messungen, Laboranalysen und Literaturrecherchen wurden wichtige Kohlenstoffflüsse dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die derzeitigen natürlichen Senken nur einen geringen Anteil der Emissionen kompensieren können, wobei Waldflächen die bedeutendste Speicherfunktion übernehmen, während andere urbane Ökosysteme kleinere, aber dennoch relevante Beiträge leisten. Diese Studie wurde von einem Studierenden-projekt der Technischen Universität Berlin durchgeführt. Als möglicher Lösungsansatz und auf Grundlager dieser Studie wurde ein Maßnahmenkatalog entwickelt. Der Katalog umfasst Strategien wie die Umstellung auf erneuerbare Energien, die Verbesserung der Bodenspeicherung, den Ausbau grüner Infrastrukturen und die Umnutzung versiegelter Flächen. Zudem wurden in der Studie Szenarien modelliert, die hier aufgegriffen werden. Die Modellierungen verdeutlichen, dass Klimaneutralität bis 2045 nur durch eine Kombination aus tiefgreifender Emissionsminderung und einer gezielten Ausweitung von Kohlenstoffsenken erreicht werden kann
Evolution beats random chance: Performance-dependent network evolution for enhanced computational capacity
No full textThe quest to understand structure-function relationships in networks across scientific disciplines has intensified. However, the optimal network architecture remains elusive, particularly for complex information processing. Therefore, we investigate how optimal and specific network structures form to efficiently solve distinct tasks using a framework of performance-dependent network evolution, leveraging reservoir computing principles. Our study demonstrates that task-specific minimal network structures obtained through this framework consistently outperform networks generated by alternative growth strategies and Erdős-Rényi random networks. Evolved networks exhibit unexpected sparsity and adhere to scaling laws in node-density space while showcasing a distinctive asymmetry in input and information readout node distribution. Consequently, we propose a heuristic for quantifying task complexity from performance-dependently evolved networks, offering valuable insights into the evolutionary dynamics of the network structure-function relationship. Our findings advance the fundamental understanding of process-specific network evolution and shed light on the design and optimization of complex information processing mechanisms, notably in machine learning.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 501847579, Designing complex behaviour: novel pathways for assisting design based on dynamics-informed machine learning in structural mechanic
Development and application of HPLC-MS/MS methods for quantifying cannabinoid content and profiles in hemp-containing products and for investigating the influence of thermal processing on cannabinoid content and profiles in hemp-containing foods
No full textComponents of industrial hemp (Cannabis sativa L.), such as hemp seeds or hemp seed oil, can be placed on the market in the EU as foodstuffs. Hemp seeds are characterised by a nutritionally valuable fatty acid spectrum. In addition, foods containing hemp and unauthorised products containing cannabidiol (CBD) (e.g., CBD oils) are established as lifestyle products. Products containing hemp naturally contain cannabinoids, including the psychoactive Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ 9-THC) and its precursor tetrahydrocannabinolic acid (THCA), which is converted into Δ9-THC by thermal decarboxylation. Due to potential health risks, the European Food Safety Authority (EFSA) has derived an Acute Reference Dose (ARfD) for Δ 9-THC. In addition, maximum levels for Δ9-THC equivalents have been regulated throughout the EU. For CBD, toxicological effects such as liver damage are discussed at high intake levels. Scientific data on cannabinoid content in foods containing hemp is limited to date. There is often a lack of validated quantitative methods that can differentiate between acidic (tending to be non-bioactive) and neutral (tending to be bioactive) cannabinoids – an essential aspect for risk assessment. In addition, little is known about the influence of typical food-specific thermal processing on cannabinoid contents and profiles. The aim of this dissertation was to extend the analytical basis for exposure and risk assessment of hemp containing foods. Three hypotheses were pursued, which were to be tested after preparatory analytical method development: (1) Market samples show cannabinoid contents and profiles relevant for risk assessment. (2) Thermal processing has significant effects on cannabinoid contents and profiles. (3) The results on content data and effects of thermal processing support an improved risk assessment. Methodologically, an HPLC-MS/MS method was developed which, in contrast to previously used methods such as GC-FID or GC-MS, does not require derivatisation and enables the differentiation of acidic and neutral cannabinoids as well as specific and sensitive quantification. In the first study, the method was used to analyse 30 commercially available hemp seed edible oils. In addition, a representative oil was heated under different conditions (temperature/time). The results showed a temperature-dependent increase in Δ9-THC with a simultaneous decrease in Δ9-THC equivalents. In addition, balancing gaps were identified that indicate the formation of previously unknown transformation products. In the second study, the method for detecting Δ 8-THC, 9(R)-HHC and 9(S)-HHC in CBD oils was extended. Although these can also occur naturally in trace amounts, they are of particular importance due to their semi-synthetic origin. The method was adapted so that it can quantify very high CBD contents (% range) as well as traces of other cannabinoids (ppm range) within a measurement sequence. The results show that many products contain toxicologically relevant levels of Δ9-THC, which means that a potential exceedance of the ARfD cannot be ruled out at normal consumption levels. The third study deals with the development and validation of a method for the determination of cannabinoids in baked goods containing hemp. Both market samples and bread baked under systematically varying conditions with a defined hemp seed content were analysed. The results demonstrate the decarboxylation of acidic cannabinoids as a function of baking time and temperature. In addition, differences in the thermally-induced effects between crust and crumb were identified. Overall, the measured levels were below toxicological and regulatory guideline values. The results of the thermal processing indicate potential transformation reactions that have not yet been fully analysed. This work provides significant contributions to the differentiated analytical quantification, evaluation and regulation of cannabinoids in hemp-containing foods.Bestandteile des Nutzhanfs (Cannabis sativa L.), wie Hanfsamen oder Hanfsamenöl, können in der EU als Lebensmittel in Verkehr gebracht werden. Hanfsamen zeichnen sich durch ein ernährungsphysiologisch wertvolles Fettsäurespektrum aus. Darüber hinaus sind hanfhaltige Lebensmittel und nicht zugelassene Cannabidiol (CBD)-haltige Produkte (z. B. CBD-Öle) als Lifestyleprodukte etabliert. Hanfhaltige Produkte enthalten natürlicherweise Cannabinoide, darunter das psychoaktive Δ9-Tetrahydrocannabinol (Δ9-THC) und dessen VorläufersubstanzTetrahydrocannabinolsäure (THCA), die durch thermische Decarboxylierung in Δ9-THC umgewandelt wird. Aufgrund möglicher gesundheitlicher Risiken hat die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) eine Akute Referenzdosis (ARfD) für Δ9-THC abgeleitet. Zudem wurden EU-weit Höchstgehalte für Δ9-THC-Äquivalente reguliert. Für CBD werden bei hohen Aufnahmemengen toxische Effekte wie Leberschädigungen diskutiert. Wissenschaftliche Daten zu Cannabinoidgehalten in hanfhaltigen Lebensmitteln sind bislang begrenzt vorhanden. Häufig mangelt es an validierten quantitativen Methoden, die zwischen sauren (tendenziell nicht bioaktiv) und neutralen (tendenziell bioaktiv) Cannabinoiden unterscheiden können – ein essenzieller Aspekt für die Risikobewertung. Zudem ist wenig bekannt über den Einfluss lebensmitteltypischer thermischer Prozessierungen auf Cannabinoidgehalte und -profile. Ziel dieser Arbeit war es, die analytische Basis zur Expositions- und Risikobewertung hanfhaltiger Lebensmittel zu erweitern. Es wurden drei Hypothesen verfolgt, die nach vorbereitender analytischen Methodenentwicklung geprüft werden sollten: (1) Marktproben weisen für die Risikobewertung relevante Cannabinoidgehalte und -profile auf. (2) Die thermische Prozessierung hat signifikante Effekte auf Cannabinoidgehalte und -profile. (3) Die Ergebnisse zu Gehaltsdaten der Cannabinoide und Effekten thermischer Prozessierung unterstützen eine verbesserte Risikobewertung. Methodisch wurde eine HPLC-MS/MS-Methode entwickelt, die im Gegensatz zu früher verbreiteten Verfahren wie GC-FID oder GC-MS ohne Derivatisierung auskommt und eine Unterscheidung saurer und neutraler Cannabinoide sowie eine spezifische und sensitive Quantifizierung ermöglicht. In der ersten Studie wurde die Methode zur Analyse von 30 kommerziell erhältlichen Hanfsamenspeiseölen eingesetzt. Zusätzlich wurde ein repräsentatives Öl unter verschiedenen Bedingungen (Temperatur/Zeit) erhitzt. Es zeigte sich ein temperaturabhängiger Anstieg von Δ9-THC bei gleichzeitiger Abnahme der Δ9-THC Äquivalente. Zudem wurden Bilanzierungslücken festgestellt, die auf die Bildung bislang unbekannter Transformationsprodukte hindeuten. In der zweiten Studie wurde die Methode zur Erfassung von Δ8-THC, 9(R)-HHC und 9(S)-HHC in CBD- Ölen erweitert. Diese können zwar auch natürlich in Spuren vorkommen, haben aber vor allem aufgrund ihres semisynthetischen Ursprungs eine besondere Bedeutung. Die Methode wurde so angepasst, dass sie sehr hohe CBD-Gehalte (%-Bereich) sowie Spuren weiterer Cannabinoide (ppm-Bereich) innerhalb einer Messsequenz quantifizieren kann. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Produkte toxikologisch relevante Gehalte an Δ9-THC enthalten, so dass eine Überschreitung der ARfD bei üblichen Verzehrsmengen nicht ausgeschlossen werden kann. Die dritte Studie beschäftigt sich mit der Entwicklung und Validierung einer Methode zur Bestimmung von Cannabinoiden in hanfhaltigen Backwaren. Es wurden sowohl Marktproben als auch unter systematisch variierenden Bedingungen gebackene Brote mit definiertem Hanfsamenanteil untersucht. Die Ergebnisse belegen die Decarboxylierung saurer Cannabinoide in Abhängigkeit von Backzeit und -temperatur. Zudem wurden Unterschiede der thermisch-induzierten Effekte zwischen Kruste und Krume identifiziert. Die gemessenen Gehalte lagen insgesamt unterhalb toxikologischer und regulatorischer Richtwerte. Die Ergebnisse der thermischen Prozessierung deuten auf potenzielle Transformationsreaktionen hin, die analytisch noch nicht vollständig erfasst sind. Diese Arbeit liefert wesentliche Beiträge zur differenzierten analytischen Quantifizierung, Bewertung und Regulierung von Cannabinoiden in hanfhaltigen Lebensmitteln
Level-by-Level Mapping of Digital Process Twin Characteristics to Digital Process Twin Software Capability
No full textThis data provides a mapping between Digital Process Twin characteristics and minimum required software capability levels. The mapping operationalises an eleven-dimension DPT characteristics meta-model by assigning, for each characteristic level, the minimum capability level required in the Digital Process Twin Software Capability Radar sectors (S1–S12). The artifact is a spreadsheet that supports traceable software selection and toolchain comparison for a chosen Digital Process Twin profile (selected levels across characteristics), required capability levels can be derived by aggregating the maximum required level per radar sector. The mapping is intended to enable transparent reuse, inspection, and refinement by researchers and practitioners working on process twins across domains