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Dresdener Kreis 2017 : 18. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung : 23. bis 24. März 2017 in Duisburg
No full textDer Sammelband "Dresdener Kreis 2017: 18. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung vom 23. bis 24. März 2017 in Duisburg" beinhaltet neben einem kurzen Bericht zum 18. Treffen des Dresdener Kreises 2017 wissenschaftliche Beiträge von Doktoranden der beteiligten Hochschulinstitute zum Thema Elektroenergieversorgung. Der Dresdener Kreis setzt sich aus der Professur für Elektroenergieversorgung der Technischen Universität Dresden, dem Fachgebiet Elektrische Energiesysteme der Universität Duisburg-Essen, dem Fachgebiet Elektrische Energieversorgung der Leibniz Universität Hannover und dem Lehrstuhl Elektrische Netze und Erneuerbare Energie der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg zusammen und trifft sich einmal im Jahr zum fachlichen Austausch an einer der beteiligten Universitäten
Numerical methods for linear time-invariant systems analysis and design in the behavioral setting
No full textAnalysis and design of dynamical systems is transitioning from a model-based to a data-driven paradigm. Theoretical foundation for the data-driven paradigm is provided by the behavioral approach, which views systems as sets of trajectories, however, currently it lacks robust and efficient computational methods. A key sub problem is computing a basis for the finite-horizon behavior. This can be done using a parametric representation or trajectories of the system. The obtained basis for the finite-horizon behavior is a non-parametric representation of the system. Contrary to classical non-parametric representations, e.g., impulse response and frequency response, it is finite and exact, captures nonzero initial conditions, and is applicable to uncontrollable systems. It also leads to new computational methods for systems analysis, signal processing, and control. Examples presented in the paper are finding the system’s complexity, finding an input/output partitioning of the variables, and checking controllability
Improved foods using enzymes from Basidiomycota
No full textBasidiomycota are higher fungi, many of which are appreciated as tasty, low-calorie food. They have accumulated a vast variety of genes to adapt to the different substrates they are able to grow on. Depending on the substrate, the relevant genes are expressed and degradative as well as synthesising enzymes secreted. Many of these are also of interest for the food industry and some have been studied and applied in this thesis.
Pleurotus sapidus, a close relative of the oyster mushroom, produces a dye-decolorising peroxidase that was able to cleave trans-anethol through oxidative cleavage of the C-C double bond in the propylene side chain to the sweet, aniseed p-anisaldehyde. The enzyme was improved through the selection of monokaryots without the use of genetic engineering. The new enzyme variants showed increased enzymatic activity due an enhanced stability. Higher expression rates in the monokaryot further raised p-anisaldehyde yields. A lipoxygenase of the same basidiomycete catalysed the generation of the vanilla-like compound piperonal from piperine through co-oxidation of linoleic or α-linolenic acid. The impact flavour compound of smoke flavour, 4-vinylguaiacol, enables a toxin-free flavouring of food in contrast to traditional smoking methods. It was synthesised with the agro-industrial side stream sugar beet fibre as substrate in a two-step process using immobilised enzymes and solid phase extraction. In addition, ten sesquiterpene cyclases were identified, heterologously produced and their product spectrum characterised. Overall, different aroma compounds of interest for the flavour and fragrances industry could be generated using basidiomycetous enzymes that were heterologously produced in either Escherichia coli or Komagataella phaffii.
Food components can cause problems with the gastro-intestinal tract for certain consumers. Two examples are celiac disease, an autoimmune disorder that is induced by peptides from gluten, and chlorogenic acid, which causes stomach irritation after coffee consumption for sensitive individuals. Celiac disease-inducing peptides in different grain flours were degraded using a prolyl endopeptidase from Flammulina velutipes, which is closely related to the golden needle mushroom, a highly appreciated food in Asia. In contrast to the peptidase from Aspergillus niger, which is commercially available for this application, the basidiomycetous enzyme was shown to cleave all disease-inducing epitopes successfully. Likewise, a p-coumaryl esterase degraded chlorogenic acid in apple juice without effecting its sensory properties.
Arabinoxylans can be extracted from wheat bran or sugar beet fibre and crosslinked using basidiomycetous laccases. The formed gels were comparable in firmness to gelatine gels and showed good water-holding capacities as well as storage and temperature stabilities. Gels from sugar beet fibre were successfully sweetened. Both present an alternative for the vegan market as well as for pharmaceutical and medicinal applications.
Numerous heterologously produced enzymes from Basidiomycota were utilised for the generation of aroma compounds and the synthesis and degradation of food components. Following the maxim “from foods for foods”, they hold promise for technological applications in these fields, aiming towards a sustainable and bioeconomic chemistry.Basidiomycota sind höhere Pilze, von denen viele als schmackhafte, kalorienarme Lebensmittel geschätzt werden. Sie haben eine Vielzahl an Genen angesammelt, um sich an unterschiedliche Wachstumssubstrate anzupassen. In Abhängigkeit vom Substrat werden die relevanten Gene exprimiert und degradativ sowie synthetisch nutzbare Enzyme sekretiert. Viele von diesen sind auch für die Lebensmittelindustrie interessant und einige wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht und angewendet.
Pleurotus sapidus, ein naher Verwandter des Austernseitlings, produzierte eine dye-decolorising Peroxidase, die trans-Anethol durch oxidative Spaltung der C-C-Doppelbindung in der Propylenseitenkete zum süßen, anisartigen p-Anisaldehyd spalten kann. Das Enzym wurde durch die Selektion von Monokaryoten verbessert ohne es genetisch zu modifizieren. Die neue Variante zeigte dank ihrer verbesserten Stabilität eine erhöhte Enzymaktivität. Eine höhere Expressionsrate im Monokaryoten steigerte die p-Anisaldehydkonzentration zusätzlich. Eine Lipoxygenase desselben Basidiomyceten katalysierte die Produktion des Vanille-ähnlichen Aromastoffs Piperonal aus Piperin durch die Cooxidation von Linol- oder α-Linolensäure. Der Schlüsselaromastoff des Raucharomas, 4-Vinylguajacol, ermöglicht im Gegensatz zu traditionellen Räuchermethoden die toxinfreie Aromatisierung von Lebensmitteln. Er wurde in einem zweistufigen Prozess mit immobilisierten Enzymen und Festphasenextraktion aus dem agroindustriellen Nebenstrom Zuckerrübenfaser gewonnen. Zudem wurden zehn Sesquiterpenzyklasen identifiziert, heterolog produziert und ihre Produktspektren charakterisiert. Insgesamt konnten so unterschiedliche Aromastoffe, die von Interesse für die Aromen- und Parfümindustrie sind, mit Hilfe von heterolog in Escherichia coli oder Komagataella phaffii produzierten basidiomyzetischen Enzymen generiert werden.
Lebensmittelinhaltsstoffe können Probleme im Gastrointestinaltrakt von KonsumentInnen hervorrufen. Zwei Beispiele sind die Zöliakie, eine Autoimmunerkrankung, die durch Peptide aus Gluten induziert wird, sowie Chlorogensäure, welche bei empfindlichen KonsumentInnen nach dem Genuss von Kaffee eine Magenreizung auslösen kann. Zöliakie-induzierende Peptide in verschiedenen Getreidemehlen wurden mit einer Prolylendopeptidase aus Flammulina velutipes, welcher nahe verwandt mit dem in Asien als Speisepilz beliebten Enoki ist, abgebaut. Im Gegensatz zu einer kommerziell zu diesem Zweck erhältlichen Peptidase aus Aspergillus niger spaltete das basidiomyzetische Enzym alle Krankheits-induzierenden Epitope erfolgreich. Gleichermaßen baute eine p-Coumarylesterase Chlorogensäure in Apfelsaft ab, ohne dessen sensorische Eigenschaften zu verändern.
Arabinoxylane können aus Weizenkleie oder Zuckerrübenfasern extrahiert und mit Hilfe von basidiomyzetischen Laccasen quervernetzt werden. Die gebildeten Gele waren in ihrer Festigkeit mit Gelatinegelen vergleichbar und zeigten gute Wasserbindungskapazitäten sowie Lager- und Temperaturstabilitäten. Gele aus Zuckerrübenfaser konnten erfolgreich gesüßt werden. Beide sind eine vielversprechende Alternative für den veganen Markt sowie für pharmazeutische und medizinische Anwendungen.
Zahlreiche heterolog produzierte Enzyme aus Basidiomycota wurden für die Produktion von Aromastoffen sowie die Synthese und den Abbau von Lebensmittelinhaltsstoffen verwendet. Der Maxime „aus Lebensmitteln für Lebensmittel“ folgend, sind sie vielversprechend für technologische Anwendungen in diesen Bereichen mit dem Ziel einer nachhaltigen und auf der Bioökonomie basierenden Chemie
Dresdener Kreis 2008 : 9. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung : 27. bis 28. März 2008 in Dresden
No full textDer Sammelband "Dresdener Kreis 2008: 9. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung vom 27. bis 28. März 2008 in Dresden" beinhaltet neben einem kurzen Bericht zum 9. Treffen des Dresdener Kreises 2008 wissenschaftliche Beiträge von Doktoranden der beteiligten Hochschulinstitute zum Thema Elektroenergieversorgung. Der Dresdener Kreis setzt sich aus der Professur für Elektroenergieversorgung der Technischen Universität Dresden, dem Fachgebiet Elektrische Energiesysteme der Universität Duisburg-Essen, dem Fachgebiet Elektrische Energieversorgung der Leibniz Universität Hannover und dem Lehrstuhl Elektrische Netze und Erneuerbare Energie der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg zusammen und trifft sich einmal im Jahr zum fachlichen Austausch an einer der beteiligten Universitäten
Principles behind membrane features and sensitivity of lateral flow assays
No full textLateral Flow Assays (LFAs) have been widely used as tools in point-of-care diagnostics and laboratory routines for decades. They are based on the formation of sandwich complexes within the porous membrane, where analyte-bead-conjugates bind at the test line composed of immobilized antibodies. While many test formats and applications have been established, many of the more fundamental processes of the LFA like protein- membrane-interactions or fluid propagation in the porous membrane have not been investigated in detail. A major reason for that is a lack of suitable experimental methods. In this work, processes within the porous nitrocellulose membrane which happen in LFAs have been investigated. A special focus was set on the processes that are relevant for signals resulting from the test line.
In the first part, a correlation between the pore symmetry and the resulting effective capillary radius and the wicking was found by comparing a Darcy-based modelling approach to experimental results. The goal of this part was to establish a theoretical framework for predicting fluid behaviour in porous membranes. It was possible to create simulations in very good agreement with experimental results, which could therefore support or even replace experimental investigations in the future.
In the second part, the relationship between fluid spread and protein distribution was investigated. Droplets of 400 pL were spotted onto the membrane and the resulting shapes were correlated to the tortuosity and permeability of the membrane structure. Furthermore, droplets of larger volumes containing fluorescently labelled proteins were spotted and the relationship between fluid spread and protein distribution was investigated. Afterwards, the surfactants polysorbate 80 (PS80) and sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) were added to the buffers and changes of the fluid spread and protein distributions were investigated. The direction-dependent tortuosity shows an inverse relationship while the direction-dependent permeability shows a direct proportional relationship with the directional-dependent spreads. Additionally, the results show that the presence of SDBS leads to a wider lateral spread of the protein distribution in relation to fluid spread while the addition of PS80 increases the penetration depth of the protein distribution.
In the third part of this work, LFAs for hCG were used to determine the influence of different buffers components on the test lines. In parallel, protein binding capacities of different membranes, protein stability and the line morphology were measured in buffers modified accordingly to the line printing buffers and compared to the trends observed in test line measurements from the LFAs. Different explanations and mechanisms for the changes in signal intensity were established based on the observations. The results show that many changes in line behaviour in the LFAs are driven by pore accessibility for the sample solution.
In the fourth part of this work, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), which are known for their sensing abilities, have been functionalised and their interaction with dopamine was investigated. The sensing mechanism was examined to understand these nanomaterials and furthermore a novel sensing approach was developed that could enhance the possible biomedical applications especially in the PoC-area.Lateral Flow Assays (LFAs) sind seit vielen Jahrzehnten breit eingesetzte Werkzeuge in der Point-of-Care-Diagnostik und im Alltag professioneller Labors. Ihre Analytik basiert auf der Bildung von Sandwichkomplexen in einer porösen Membran, bei der Analyt-Bead-Konjugate an einer Testlinie gebunden werden, die aus immobilisierten Antikörpern besteht. Während eine Bandbreite von unterschiedlichen Testformaten und -anwendungen etabliert ist, sind viele der eher fundamentalen Prozesse wie Protein-Membran-Interaktion oder Fluidausbreitung in der porösen Membran wenig untersucht. Dies hängt maßgeblich auch mit einem Mangel an geeigneten experimentellen Methoden zusammen.
In der vorliegenden Arbeit wurden Prozesse innerhalb von porösen Nitrozellulosemembra- nen, wie sie in LFAs eingesetzt werden, untersucht. Im Speziellen wurde der Fokus auf die Prozesse gelegt, die zur Signalerzeugung an der Testlinie relevant sind.
Im ersten Teil der Arbeit wurde unter Rückbezug auf experimentelle Daten mithilfe eines Darcy-basierten Modellierungsansatzes eine Beziehung zwischen Porenasymmetrie und Fluidausbreitung (Wicking) ermittelt. Es wurden Grundlagen zur Vorhersage von Fluidverhalten in LFAs geschaffen bzw. validiert. Es ist gelungen, Modellierungen zu generieren, die mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmen und somit experimentelle Untersuchungen in Zukunft kostengünstig unterstützen oder sogar ersetzen können.
Im zweiten Teil wurde in die Beziehung zwischen Fluidausbreitung und Proteinverteilung in Abhängigkeit der Membranstrukturparameter Tortuosität und Permeabilität für 400 pL große Tropfen untersucht. Außerdem wurden für größere Tropfen die Ausbreitung des Fluids mit den Proteinverteilungen in der Membran verglichen und die Veränderung in Anwesenheit der Tenside SDBS und PS80, die sich auch in Adsorptionspuffern finden, untersucht. Hierbei wurden invers-proportionale zwischen den richtungsabhängigen Tortuositäten sowie proportionale Beziehungen zwischen den richtungsabhängigen Permeabilitäten und den relativen Ausbreitungen der Tropfen gefunden. Es konnte gezeigt werden, dass der Zusatz von SDBS zu einer großflächigeren oberflächlichen Verteilung führt, während PS80 die Penetrationstiefe des Proteins in die Membran erhöht.
Im dritten Teil sind LFAs zur Bestimmung des Schwangerschaftshormons hCG verwendet worden, um den Einfluss unterschiedlicher Adsorptionspuffer auf die Testlinien zu bestimmen. Parallel dazu wurden Proteinstabilitätsexperimente durchgeführt, die Proteinbindekapazität der untersuchten Membranen und Linienmorphologien für in entsprechenden Adsorptionspuffern befindliche Proteine gemessen und die Ergebnisse mit den Trends in der Signalintensität verglichen. Es wurden Erklärungsansätze abgeleitet, was für Mechanismen für die Veränderungen des Signals verantwortlich sein könnten.
Im vierten Teil wurden einwandige Kohlenstoffnanoröhren (engl. Single-walled Carbon Nanotubes, SWCNTs), die bekannt für ihre Sensingeigenschaften sind, funktionalisiert und ihre Interaktion mit Dopamin untersucht. Es wurde der Sensingmechanismus untersucht, was beim Verständnis dieser Art der Nanomaterialien hilft und außerdem ein neues Sensing entwickelt, das zu neuen Anwendungen im biomedizinischen (Point-of-Care) Bereich und verbesserte Signalauswertung führen kann
Dresdener Kreis 2012 : 13. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung : 15. bis 16. März 2012 in Dresden
No full textDer Sammelband "Dresdener Kreis 2012: 13. Dresdener Kreis Elektroenergieversorgung vom 15. bis 16. März 2012 in Dresden" beinhaltet neben einem kurzen Bericht zum 13. Treffen des Dresdener Kreises 2012 wissenschaftliche Beiträge von Doktoranden der beteiligten Hochschulinstitute zum Thema Elektroenergieversorgung. Der Dresdener Kreis setzt sich aus der Professur für Elektroenergieversorgung der Technischen Universität Dresden, dem Fachgebiet Elektrische Energiesysteme der Universität Duisburg-Essen, dem Fachgebiet Elektrische Energieversorgung der Leibniz Universität Hannover und dem Lehrstuhl Elektrische Netze und Erneuerbare Energie der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg zusammen und trifft sich einmal im Jahr zum fachlichen Austausch an einer der beteiligten Universitäten
Searching for variations of fundamental constants and ultralight dark matter with optical clocks
No full textThis thesis reports on frequency comparisons with optical clocks based
on trapped ions, and their application to probing variations of fundamental constants,
with a focus on searches for ultralight dark matter (UDM). The work was
carried out at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
An existing optical clock based on a single 171Yb+ ion is operated with high availability
over several years. Two atomic transitions are probed in an interleaved fashion:
An electric octupole (E3) transition, which is highly sensitive to possible variations
of the fine-structure constant, and an electric quadrupole (E2) transition. Including
the resulting measurement data with that previously obtained in our group further
improves the best constraints on a linear drift of the fine-structure constant α to
(1/α)(dα/dt) = 1.8(2.5) × 10−19/yr , and its coupling to the gravitational potential
Φ of the sun to (c2/α)(dα/dΦ) = −2.4(3.0) × 10−9 , reducing uncertainties by
about a factor of four. The same data, along with that from a comparison between
the 171Yb+ E3 clock and a Sr lattice clock, is analysed for the oscillatory
signatures associated with small hypothetical couplings between UDM and normal
matter. Leveraging the high α-sensitivity of both frequency ratios, more than an
order-of-magnitude improvement in limits on a scalar UDM coupling to photons is
achieved over a wide range of dark matter masses. UDM couplings to the nuclear
sector are investigated with optical clocks for the first time, by considering the effect
an oscillating nuclear charge radius would have on the E3/E2 frequency ratio. It
is further demonstrated that space- and time-separated clock comparisons provide
sensitivity to dark matter even for oscillators with identical sensitivities to fundamental
constants, while also offering access to unique dark matter signatures and
complementary UDM couplings.
A new dual-species apparatus for combining 171Yb+ and 88Sr+ ions enables the realization
of a multi-ion clock based on the 2S1/2 → 2D5/2 transition in 88Sr+ with
up to ten ions. A fractional systematic uncertainty of 5.3 × 10−19 is obtained for
the multi-ion clock, comparable to the current best single-ion clocks. A frequency
comparison between the new optical clock based on 88Sr+ and the single-ion 171Yb+
clock operating on the 2S1/2(F = 0) → 2F7/2(F = 3) E3 transition yields an unperturbed
frequency ratio of 0.6926711632159660399(20). With a fractional uncertainty
of 2.9 × 10−18, this is the most accurate determination of any physical constant to
date. The data obtained with multiple 88Sr+ ions is compatible with that obtained
using a single 88Sr+ ion, but offers a significantly improved instability. This establishes
multi-ion clocks as a robust platform for next-generation tests of fundamental
physics
Quantum Dot Response in Different Regimes and its Applications
No full textIn this work the behavior of quantum dots is investigated in terms of temperature changes, the crossover from the tunneling regime to the open regime, and the frequency effects on a three-terminal channel where one side is blocked by a quantum dot. The device used here is a two-dimensional electron gas created within a GaAs/AlGaAs heterostructure. When energy levels of a quantum dot are coupled to the leads, electrons can tunnel through the quantum dot if the energy levels lie within the transport window. Temperature influences the Fermi distribution of the leads and as a result it changes the coupling of the energy levels to the leads. Once there exists a temperature difference between the leads, a thermocurrent can appear, even without applying any bias voltage to the system. Depending on the coupling of the energy levels to the leads, temperature can have different effects on each energy level. For understanding how electron transport through quantum dots is being affected different fitting
functions are employed. For the second measurement, after creating a confined region where a quantum dot shows single-electron Coulomb blockade behavior, by changing the gate, its evolution to the open regime is investigated. Also, different coupling configurations are measured and analysed. A quantum point contact is used as a charge sensor for knowing the number of the electrons in the quantum dot. Depending on how the couplings work a quantum dot can exhibit Fabry-P´erot interference pattern when this crossover is taking place. Finally, in a three-terminal measurements, where for one side no restrictions are applied and the other side is blocked by a quantum dot. By applying frequency measurements to the system, it is investigated how both sides respond under such conditions. While the conductance on the quantum dot side increases, it decreases on the other side. Because of the capacitance coupling of the quantum dot and the kinetic inductance behavior of the two-dimensional electron
gas, both sides show inverse response with respect to one another
B-SPK : Beobachtungssystem zur Erhebung des Sprachprofils von Kindern : Manual und Beobachtungsbogen.
No full textDas B-SPK ist ein diagnostisches Verfahren, mit dem die produktiven Sprachkompetenzen im Deutschen von Kindern im Kita- und frühen Grundschulalter erfasst werden – unabhängig von der Erst-/ Zweitsprache und dem Vorliegen einer Verzögerung/ Störung im Spracherwerb. Es handelt sich um eine Spontansprachanalyse, d.h. im Fokus stehen die Erhebung des kindlichen natürlichen Sprachgebrauchs und die differenzierte Erfassung der individuellen Sprachkompetenzen auf den Sprachebenen der Lexik/ Semantik, Syntax, Morphologie und Pragmatik. Zudem besteht die Möglichkeit, konkrete Sprachförderziele abzuleiten
Expanding the “Terpenome” by Chemoenzymatic Telescoping, Cyclisation and Oxidation of Synthetic FPP Analogues
No full textTerpenes constitute the largest class of natural products with a broad structural diversity and biological activity. Their industrial applications span from small representatives like menthol used in fragrance industry, to structurally more diverse natural products like taxol in pharmaceutical industry. To achieve this diversity, formation of stereo dense carbon skeletons from simple linear precursors catalysed by terpene synthases is crucial. These enzymes have been investigated regarding their mode of action, substrate promiscuity and in this context their potential as biocatalysts using synthetic FPP analogues. As they have proven to be very versatile, they offer access to new terpenoids. Following the cyclisation towards carbon scaffolds, enzymatic oxidation in terpene biosynthesis enables further functionalisation and diversification. Since the oxyfunctionalisation of non-activated CH-groups is a challenging area in synthetic organic chemistry, sustainable enzymatic solutions are of high academic and industrial interest. Unspecific peroxygenases, a fungal class of haem dependent enzymes, could serve as a scalable biotechnological solution in organic synthesis. In this thesis, the chemical synthesis of new and known FPP analogues, their enzymatic telescoping, cyclisation and oxidation are presented. New sesqui- and diterpenoids were formed and isolated through biotransformation with those analogues. Structure elucidation of new terpenoids was performed mainly based on NMR spectroscopy. These results were used to understand the promiscuity of terpene synthases and the influence of derivatisation on cyclisation cascades. Furthermore, the oxidation of non-natural terpenoids by unspecific peroxygenases was investigated