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Optimization of Transmission Characteristics in UHF Transponder Systems
No full textRadio Frequency IDentification (RFID) Systeme verwenden Funkwellen für die Identifizierung von Objekten. In den letzten Jahren haben sich RFID-Systeme in einen aktiven interdisziplinären Forschungsbereich entwickelt. Verschiedene
Algorithmen und Techniken von anderen Kommunikationsbereichen können und sind in RFID-Systeme eingesetzt worden.
Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung und Verbesserung von UHF RFID passiven Systemen. Es wird angestrebt die Anzahl der erfolgreichen Leseversuche bei ungünstiger Umgebung zu erhöhen bzw. zu ermöglichen. Die neu entwickelten Algorithmen sollten sich den dynamischen Arbeitskonditionen anpassen.Radio Frequency IDentification (RFID) systems use radio waves in order to retrieve the identity of an object. In the last years RFID systems has evolved into an active multidisciplinary area of research and development, composed by a broad spectrum
of fields. Many algorithms and technologies of other communication areas can and have been applied to RFID systems.
The goal of this thesis is to optimize and improve the RFID passive systems working on the UHF frequency band. The objective is to enable or even increase the probability of a successful read in harsh environments. The new developed algorithms should adapt to the dynamic working conditions
Sufficient optimality conditions for nonlinear optimization problems
No full textIn dieser Arbeit betrachten wir abstrakte nichtlineare Optimalsteuerpro-
bleme in Banach- bzw. Hilberträumen. Wir nehmen an, dass eine diskrete Version des Problems vorliegt, die gewisse Approximationseigenschaften
bezüglich des Zielfunktionals und des Steuerungs-Zustands-Operators erfüllt und von der wir eine lokale Lösung bestimmen können.
Nachdem wir die nötigen mathematischen Grundlagen vorgestellt haben leiten wir, ausgehend von solch einer lokalen Lösung, hinreichende Optimalitätsbedingungen zweiter Ordnung her. Die von uns hergeleiteten Bedingungen haben den Vorteil, dass sie mittels berechenbarer Größen und der bereits vorliegenden diskreten Lösung auf ihre Gültigkeit hin uberprüft
werden können. Wir demonstrieren alle benötigten Berechnungen anhand einer eindimensionalen Problemklasse und befassen uns anschließend mit den numerischen Aspekten. Wir führen die Finite Element Methode zur Diskretisierung unendlichdimensionaler Funktionenräume ein und präsentieren die Lagrange-
Newton-SQP Methode zum Lösen nichtlinearer Probleme. Danach betrachten wir ein konkretes Beispiel zu dem wir die numerischen Ergebnisse vorstellen und sie im Hinblick auf Konvergenz und Gültigkeit der hinreichenden Bedingungen analysieren.We study an abstract nonlinear optimal control problem in Banach and
Hilbert spaces, respectively. We assume the existence of a discrete counterpart to this problem, which fulfills certain approximation properties regarding the cost functional and the control to state operator. We also assume that we can compute a local solution uh for this discrete problem. After introducing the mathemical background to this type of problems we develop sufficient optimality conditions of second order. These conditions depend only on the known discrete solution uh and other computable quantities, which allows us to check if they are satisfied.
We demonstrate the necessary computations for a one-dimensional problem class up to the point were they can be applied to a concrete example.
Then we introduce the numerical methods we want to put to use throughout our numerical experiments, namely the Finite Element Method for the discretization of infinite dimensional function spaces and the Lagrange-Newton SQP method to solve nonlinear problems. We present the numerical results and analyse them with respect to the order of convergence of the occuring errors and the sufficient conditions
A contribution to the development of assistance systems for serial and parallel robots using the example of mobile concrete pumps and tendon-based rack feeders
No full textDer zunehmende Kostendruck in der Industrie zwingt die Unternehmen, jegliche Art von Prozessen, sei es beispielsweise der Herstellungsprozess eines Produkts oder ein logistischer
Lagerverwaltungs-Prozess, effizient zu gestalten. Ein Potential zur Effizienzsteigerung bildet die Prozessautomatisierung. Grenzen der Automatisierung entstehen bei Arbeitsabläufen, die eine gewisse Flexibilität erfordern, wie beispielsweise bei einem Prozess in einer sich ständig ändernden Umgebung mit Personen oder anderen bewegten Hindernissen.
Ist ein Prozess vollautomatisiert aufgrund des hohen technischen Aufwands auch wirtschaftlich nicht realisierbar, bieten Assistenzsysteme zumindest die Möglichkeit, Arbeitsabläufe zu optimieren, wobei dem Assistenzsystem, in der Regel also der Maschine, nicht die volle Verantwortung über den Prozessablauf übertragen wird. In diesem Beitrag wird auf Basis eines quadratischen Optimierungsproblems ein echtzeitfähiger Algorithmus entwickelt, mit dem es möglich ist, die inverse Kinematik kinematisch redundanter Manipulatoren und die minimale Seilkraftverteilung seilbasierter Stewart-Gough-Plattformen zu lösen. Diese Lösung bildet die Grundlage für modellbasierte Regelungskonzepte, womit voll- bzw. teilautomatierte Prozesse (Assistenzsysteme) serieller
und paralleler Roboter realisiert werden können.
Der in diesem Beitrag entwickelte Algorithmus wird auf zwei Beispiele aus dem Bereich der Robotik angewendet: die Autobetonpumpe als ein Beispiel serieller, kinematisch redundanter Manipulatoren und das seilbasierte Regalbediengerät als ein Beispiel für parallele Seilroboter auf Basis der Stewart-Gough-Plattform.The increasing cost pressure in the industry forces the companies to design any kind of process in an efficient manner, for instance the manufacturing process of a product or a logistical warehouse management process. An increase in efficiency can be established by a process automation.However, limitations of automation arise in operations which require a certain flexibility such as a process in a permanently changing environment with persons and other moving obstacles.
Once a fully automated process cannot be realised due to its technical complexity and lack of profitability, at least assistance systems can offer the potential to optimize the work flow,
whereby the assistance system, so usually the machine, does not bear the full responsibility. In this contribution a real-time capable algorithm is developed based on the quadratic optimization problem which enables the calculation of the inverse kinematics of kinematically redundant manipulators, and of optimal tendon force distributions of tendon-based Stewart-Gough platforms. This solution constitutes the basis for model-based control concepts in
order to realise fully and semi-automatic processes (assistance systems) of serial and parallel robots.
The algorithm developed in this contribution is applied on two examples from the field of robotics: the mobile concrete pump as an example of a serial, kinematically redundant manipulator, and the tendon-based rack feeder system as an example of a parallel tendon robot based on the Stewart-Gough platform
Attachment of acidophilic bacteria to solid substrata
No full textBioleaching is the dissolution of metal sulfides such as pyrite (FeS2) by bacterial and archaeal oxidation-driven processes. Leaching microorganisms attach to mineral surfaces, thus enhancing metal sulfide dissolution. Bioleaching has two contrary aspects: The negative aspect of acid mine/rock drainage (AMD/ARD), which results in water pollution, and the positive aspect, the environmentally friendly application in industry. Consequently, there are two targets: the prevention of AMD/ARD and the optimization of bioleaching as industrial technology.
In industrial applications such as in reactors, bioleaching is controlled and conditions are optimized for leaching microorganisms to achieve high oxidation rates. One important factor for the optimization is a high temperature. Moderately thermophilic leaching organisms are beneficial for such applications. The attachment and biofilm formation and the physiology of pure and mixed cultures of moderately thermophilic bacteria were investigated in this thesis. Leaching activities of the metal sulfide and interactions in between the consortium were of interest.
Attachment and leaching experiments under moderately thermophilic conditions indicated that Leptospirillum ferriphilum is the first colonizer of a pyrite surface. Furthermore, it was shown that mixed cultures are more effective than pure cultures with attachment and leaching. Precolonization tests exhibited that Acidithiobacillus caldus needs precolonization of active L. ferriphilum cells to establish itself in a biofilm on metal sulfide surfaces. Quorum sensing or chemotaxis related effects were determined because dead L. ferriphilum cells and their EPS residues did not increase attachment of At. caldus cells to the metal sulfide. However, active L. ferriphilum cells had an increasing effect on attachment of At. caldus cells to pyrite.
Further experiments indicated that attachment and biofilm formation of L. ferriphilum and At. caldus are influenced by addition of certain N-acetyl-homoserine-lactones (AHLs). Especially, pyrite leaching with cells of L. ferriphilum was strongly inhibited by addition of 3-hydroxy-C14-AHL. Consequently, pyrite leaching by L. ferriphilum cells becomes manipulable. Biofilm formation of At. caldus on pyrite coupons was increased by the use of the C8-AHL family. L. ferriphilum and At. caldus do not produce AHLs on their own but they were able to respond to an external addition of AHLs.
The addition of (5Z)-4-bromo-5-(bromomethylene)2(5H)-furanone inhibited growth, biofilm formation and leaching of L. ferriphilum, At. caldus and Acidimicrobium ferrooxidans. The inhibition is a reversible process.
Extracts from supernatants of pyrite-grown L. ferriphilum cells were tested in growth experiments with other species. L. ferriphilum supernatants had a strongly inhibiting effect on iron-oxidation in several microorganisms such Leptospirillum spp., At. ferrooxidans, Acidimicrobium ferrooxidans, Acidithiobacillus ferrivorans and Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Sulfur oxidation was not affected by the addition of the “L. ferriphilum- extract”. The inhibitory effect on iron-oxidation was also caused by an addition of extracts from three other Leptospirillum strains.
A novel QS- related autoinducer molecule was detected in cultures of L. ferriphilum. The utilization of a novel Janthinobacterium based biosensor test indicated its presence. It is highly likely that this autoinducer is a derivative of a α-hydroxyketones. Bioinformatic studies indicated that genomes of Leptospirillium spp. include a homologous gene for the enzyme, 8-amino-7-oxononanoate synthase, of the jqsA gene of the Janthinobacterium. Whether the inhibiting effect on iron oxidation can be attributed to the unknown autoinducer(s), still needs to be demonstrated. Nevertheless, the data indicated that a cross-communication via AHLs and by the unknown autoinducer(s) occurs in moderately thermophilic bioleaching bacteria
Influence of the hepatitis C genotype on the antiviral immune response
No full textDie Übertragung von Hepatitis C Virus (HCV) geschieht hauptsächlich über Blutkontakt, so dass intravenöse Drogengebraucher („people who inject drugs”, PWID) die Hauptrisikogruppe für HCV Infektionen in entwickelten Ländern darstellen. PWID in Deutschland sind häufig unterschiedlichen HCV Genotypen (GT) ausgesetzt, wobei GT1 und GT3 am weitesten verbreitet sind. Da der infizierende Genotyp den Ausgang der Infektion beeinflussen kann und HCV-spezifische CD8+ T Zellen eine wichtige Rolle bei der Immunantwort gegen HCV spielen, wollten wir im Detail untersuchen, welchen Einfluss der virale Genotyp auf die antivirale CD8+ T Zellantwort in hochexponierten Individuen hat. Zu diesem Zweck wurde eine Kohorte von 363 PWID aus Essen, Deutschland untersucht, die aus seronegativen Patienten (11%), Patienten mit spontan ausgeheilter HCV Infektion (25%) und Patienten mit chronischer Infektion (33% GT1, 27% GT3 und 4% andere GT) bestand.
Zunächst wurden zwei genetische Wirtsfaktoren analysiert, die Auswirkungen auf den Ausgang einer HCV Infektion haben können. Einzelne Nukleotidpolymorphismen nahe dem IFNL3 Gen wurden mit spontaner Ausheilung und besserem Ansprechen auf Therapie assoziiert. Verglichen mit Patienten mit ausgeheilter HCV Infektion kam der „protektive“ IFNL3 rs12979860 C/C GT in unserer Kohorte wesentlich weniger häufig in GT1 infizierten Patienten vor. Dahingegen hatten GT3 infizierte Patienten eine intermediäre GT Frequenz. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der CD8+ T Zellantwort abhängig vom IFNL3 GT gefunden. Dies deutet darauf hin, dass der protektive Effekt des IFNL3 C/C GT nicht durch die CD8+ T Zellantwort vermittelt wird.
Als nächstes wurde der Einfluss des HLA Klasse I Genotypen auf den Ausgang der Infektion ermittelt. In unserer Kohorte war HLA-B*08 ein Risikoallel, wohingegen HLA-B*27 protektiv gegen sowohl GT1 als auch GT3 war. Diese zweite Beobachtung war unerwartet, da der protektive Effekt von HLA-B*27 bis jetzt nur für GT1 beschrieben worden war. Dies wurde auf Sequenzunterschiede zwischen den Genotypen in dem immundominanten CD8+ T Zellepitop NS5B2841 zurückgeführt. Daher wollten wir neue GT3-spezifische CD8+ T Zellantworten identifizieren, die diesen protektiven Effekt erklären könnten. Das Screening von vorausgesagten HLA-B*27 Bindern ergab zwei neue Epitope: NS2840 GRLIWWNQY and NS2942 GRWFNTYLY. Das NS2942 Epitop war immundomiant in GT3 und die Stärke der CD8+ T Zellantwort war vergleichbar mit dem bekannten GT1-spezifischen NS5B2841 Epitop. Virale Sequenzanalysen der NS2 Epitopregionen lieferten Beweise für Escapemutationen im NS2942 Epitop. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass verschiedene Epitoprepertoire in GT1 und GT3 infizierten Patienten vorhanden sind und daher verschiedene CD8+ T Zellen zu dem protektiven Effekt von HLA-B*27 beitragen.
Genotyp-spezifische Unterschiede in der CD8+ T Zellantwort können den Ausgang einer HCV Infektion erheblich beeinflussen. Unsere Arbeitsgruppe hat bereits zuvor gezeigt, dass Patienten mit CD8+ T Zellantworten, die gegen GT1 und GT3 gerichtet sind, hauptsächlich in PWID mit ausgeheilter Infektion vorkommen. Daher wollten wir testen, ob Patienten, die verschiedenen Genotypen ausgesetzt sind, distinkte CD8+ T Zellantworten gegen verschiedene Sequenzvarianten desselben Epitops besitzen. Die Analyse wurde auf immundominante Epitope konzentriert, die von HLA Klasse I Molekülen präsentiert werden, die im Zusammenhang mit Immunkontrolle von Virusinfektionen beschrieben wurden (HLA-B*13, HLA-B*15, HLA-B*27 und HLA-B*57). Distinkte Antworten gegen zwei GT-spezifische Varianten wurden in 4 von 5 Fällen gefunden, während ein Epitop kreuzreaktiv zwischen den getesteten GT Varianten war. Eine Analyse des T Zellrezeptor Vβ Kettenrepertoires bestätigte, dass verschiedene Varianten in den meisten Fällen distinkte CD8+ T Zellpopulationen aktivieren. Dies zeigt, dass ein Priming gegen zwei verschiedene GT-spezifische Varianten desselben Epitops in einem Patienten möglich ist. Daher wäre die Aufnahme verschiedener Sequenzvarianten wichtiger Epitope in eine prophylaktische Vakzine sinnvoll.
Als letzter Faktor, der den Ausgang einer HCV Infektion beeinflussen kann, wurde die Deletion von HCV-spezifischen CD8+ T Zellen untersucht, da ein rapider Verlust von spezifischen T Zellen bei viraler Persistenz und kontinuierlicher Antigenaussetzung beobachtet wird. Wir konnten niedrigere Frequenzen von HCV-spezifischen CD8+ T Zellen in chronisch infizierten PWID bestätigen. Es wurde untersucht, ob das pro-apoptotische Protein Bim eine Rolle bei der Deletion von CD8+ T Zellen während der HCV Infektion spielt, da die Aktivierung von T Zellen in der Leber von Mäusen und während der humanen HBV Infektion zu einer Hochregulierung von Bim führt. Im Gegensatz zu HBV war Bim in CD8+ T Zellen in chronischen HCV Patienten ex vivo nicht anders reguliert als in Patienten mit ausgeheilter Infektion. Nach Antigen-spezifischer Aktivierung waren sowohl Bim als auch der Aktivierungsmarker CD38 unabhängig vom Infektionsausgang hochreguliert. Zusammengenommen weisen unsere Daten darauf hin, dass während einer chronischen HCV Infektion die Dysregulation von Bim nicht zur Deletion von HCV-spezifischen CD8+ T Zellen beiträgt.Transmission of hepatitis C virus (HCV) is closely linked to blood-blood contact. Accordingly, in developed countries HCV is mainly acquired by people who inject drugs (PWID). Importantly, PWID living in Germany are frequently exposed to different HCV genotypes (GTs) with GT1 and GT3 being predominant. As the infecting genotype can influence the infection outcome and HCV-specific CD8+ T cells play a major role in the immune response against HCV, we wanted to investigate the influence of the viral GT on the antiviral CD8+ T cell response in more detail in highly exposed individuals. For this purpose we worked with a cohort of 363 PWID from Essen, Germany that consisted of patients that remained seronegative for HCV (11%), patients with spontaneously resolved HCV infection (25%) and chronically infected patients (33% GT1, 27% GT3 and 4% other GTs).
As a first step, we examined two host genetic factors that have been implicated with affecting HCV infection outcome. Single nucleotide polymorphisms near the IFNL3 gene have been associated with spontaneous clearance and enhanced response to therapy. In our cohort the “protective” IFNL3 rs12979860 C/C GT was significantly less frequent in GT1 infected patients compared to patients with resolved HCV infection, while subjects infected with GT3 showed an intermediate GT frequency. No significant differences in the CD8+ T cell response depending on the IFNL3 GT were detected, suggesting that the protective effect mediated by the IFNL3 C/C GT is independent of the CD8+ T cell response.
Next, the impact of the HLA class I genotype on infection outcome was determined. In this cohort HLA-B*08 was a risk allele for GT1 infection, whereas HLA-B*27 was protective against both GT1 and GT3 infection. This second finding was unexpected, as HLA-B*27 was so far only described to protect against GT1 due to sequence differences in the immunodominant CD8+ T cell epitope NS5B2841 between both genotypes. We therefore aimed to identify novel GT3-specific CD8+ T cell responses that might mediate the protective effect. By screening predicted HLA-B*27-binders we identified the two novel epitopes, NS2840 GRLIWWNQY and NS2942 GRWFNTYLY, with the latter one being immunodominant in GT3. The strength of the CD8+ T cell response to the immunodominant GT3-specific B*27-epitope was comparable to the response against the known GT1-specific NS5B2841 epitope. Viral sequence analysis of the NS2 epitope regions provided evidence for mutational escape in HLA-B*27-positive patients in the NS2942 epitope. In summary, different epitope repertoires could be detected in GT1 and GT3 infected patients indicating that different CD8+ T cell responses contribute to the protective effect of HLA-B*27.
Genotype-specific differences in the elicited CD8+ T cell response can also play an important role in determining the outcome of HCV infection. Our group has previously shown that patients with CD8+ T cells active against both GT1 and GT3 are predominantly found in PWID with resolved infection. Here, we tested if distinct CD8+ T cell responses against different sequence variants of the same epitope can be activated in patients exposed to different genotypes. The analysis was focused on immunodominant epitopes presented by HLA class I alleles that have been described in the context of immune control of viral infections (HLA-B*13, HLA-B*15, HLA-B*27 and HLA-B*57). Distinct responses against two GT-specific variants were found for 4 out of 5 tested epitopes, while one epitope was cross-reactive between all tested GT variants. Analysis of the T cell receptor (TCR) Vβ chain repertoire confirmed in most cases that distinct CD8+ T cell populations were activated by the different variants. As a proof of principle, priming against two different GT-specific variants of the same epitope is therefore possible within one patient, suggesting that inclusion of different sequence variants of important epitopes in a prophylactic vaccine may be feasible.
As a last factor influencing the outcome of HCV infection in different genotypes we looked at the deletion of HCV-specific CD8+ T cells, as a rapid loss of specific T cells is observed upon viral persistence and continuous antigen exposure. We confirmed lower frequencies of HCV-specific CD8+ T cells in chronically infected patients compared to patients with resolved infection. It was tested whether the pro-apoptotic protein Bim is involved in CD8+ T cell depletion in HCV, as it was reported that activation of T cells in the liver of mice and in human HBV infection leads to upregulation of Bim. In contrast to HBV, Bim was not differentially regulated in CD8+ T cells from patients with resolved or chronic HCV infection ex vivo. Upon antigen-specific activation Bim and CD38 were both upregulated irrespective of the disease status. Taken together, our data suggest that dysregulation of Bim does not seem to contribute to CD8+ T cell depletion during chronic HCV infection
Development of a kinetic model for amine and amine/carbonate-blends for optimized CO2-removal in a pilot plant
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird die Beschreibung und Optimierung von CO2-Abscheideprozessen aus Kraftwerksrauchgasen mittels wässriger Amin-lösungen und Amin-Carbonat-Blends untersucht. Hierzu werden kinetische und thermodynamische Laboruntersuchungen durchgeführt, die dazu dienen, rele-vante Stoffdaten der verschiedenen Lösungen zu ermitteln. Auf Basis dieser Daten wird ein kinetisches Modell erstellt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die im Technikumsmaßstab ablaufenden Prozesse in einigen Technikumsanlagen zu beschreiben.
Ferner werden auch Versuche unter realen Rauchgasbedingungen in einem Steinkohlekraftwerk an einer PCC-Technikumsanlage durchgeführt. Die Ergeb-nisse dieser Versuche werden ebenfalls mit Hilfe des verwendeten kinetischen Modells abgebildet und zur Modellvalidierung verwendet.
Im Rahmen experimenteller Laborarbeiten wird ein Fallfilmreaktor detailliert be-schrieben und die Methodik der Versuchsdurchführung und Auswertung kritisch validiert. Dabei wird zunächst das einfache, rein physikalische System aus Wasser und CO2 betrachtet.
Hier wird die Henry-Löslichkeit von CO2 bei verschiedenen Temperaturen in reinem Wasser untersucht und mit verschiedenen Literaturdaten verglichen. Es kann eine sehr gute Übereinstimmung von den experimentell ermittelten Wer-ten zu den in der Literatur publizierten Daten ermittelt werden.
Außerdem werden die physikalischen Stoffübergangskoeffizienten von CO2 in reines Wasser experimentell ermittelt. Mit Hilfe des Zwei-Film-Modells kann an-schließend die Kinetik der CO2-Desorption als Umkehrprozess des reinen Ab-sorptionsvorgangs auf Basis dieser Daten beschrieben werden.
Bei der Verwendung unterschiedliche Trägergase kann ermittelt werden, dass diese unter den experimentellen Bedingungen keinen Einfluss auf die effektiven Stoffübergangskoeffizienten von CO2 in wässrige Lösungen haben. Die dadurch hervorgetretene Annahme einer maßgeblich flüssigkeitsseitigen Stofftransport-limitierung ist ebenfalls detailliert untersucht worden.
Durch die Modellierung von orts- und zeitaufgelösten Diffusionsprofilen von CO2 in der Gasphase und im Flüssigkeitsfilm innerhalb des Reaktors kann gezeigt werden, dass der Stoffübergang maßgeblich durch die Diffusion des CO2 in der Flüssigkeit beeinflusst wird.
Bei der kinetischen Untersuchung einiger ausgewählter Amine können eben-falls gute Übereinstimmungen mit Literaturdaten herausgestellt werden. Zur weiteren Validierung des experimentellen Aufbaus wird die Absorptionskinetik von CO2 in wässrige MEA-Lösungen betrachtet und ebenfalls mit Literaturdaten verglichen. Hier kann, im Rahmen der Streuung der Literaturdaten, eine sehr gute Übereinstimmung mit diesen Werten ermittelt werden.
Bei den ermittelten Desorptionskinetiken können, sofern Literaturwerte vorhan-den sind, ebenfalls gute Übereinstimmungen mit diesen aufgezeigt werden. Dabei ist jedoch festzuhalten, dass die Art des experimentellen Aufbaus einen erheblichen Einfluss auf die ermittelten Werte haben kann. So können z.T. niedrigere, kinetische Werte in der Literatur auf eine CO2-Anreicherung am Gas-Flüssigkeitsinterface und damit auf eine Verringerung der Triebkraft des Desorptionsprozesses zurückzuführen sein.
Die Untersuchung der Desorptionskinetiken von Carbonat-Amin-Blends zeigt, dass durch die Verwendung solcher Waschmittelformulierungen eine erhebliche Menge des eingesetzten Amins eingespart und durch Kaliumcarbonat ersetzt werden kann, ohne dass es zu signifikanten Einbußen hinsichtlich der Reakti-onskinetik kommt.
Weiterhin kann gezeigt werden, dass die Carbamat-Stabilität des verwendeten Amins einen direkten Einfluss auf die gemessenen Desorptionsgeschwindigkei-ten hat. So führen instabilere Carbamate zu einer Steigerung der Desorptions-rate, wohingegen sehr stabile Carbamate keinen Beitrag leisten.
Bei der Durchführung von Versuchsfahrten mit 4,91 mol/L MEA-Lösungen (30 mass.-%) an der mobilen CO2-Anlage können einige Abhängigkeiten der CO2-Abscheideleistung von Betriebsparametern abgeleitet werden.
Zunächst kann gezeigt werden, dass die zuvor programmierten Regelungen für einen stabilen Anlagenbetrieb auch über längere Versuchsdauern hin ohne ex-ternes Eingreifen stabile Betriebspunkte einhalten können. Des Weiteren ist festzuhalten, dass es trotz zum Teil erheblicher Temperaturschwankungen des Niederdruckdampfs möglich ist, den Desorber der Anlage ohne starke Schwan-kungen aufzuheizen und zu betreiben.
Auch die Abscheideleistung hängt deutlich vom L/G-Verhältnis ab. Des Weite-ren kann gezeigt werden, dass die Abscheideleistung erheblich von der Desor-bertemperatur abhängt, da diese direkt die lean-Beladung des Waschmittels bei Absorber-Eintritt beeinflusst. Im Gegensatz dazu kann nur eine geringe Abhän-gigkeit der Abscheideleistung von der Temperatur der Absorptionskolonnen innerhalb des untersuchten Bereichs festgestellt werden.
Auf Basis einiger verlässlich ermittelbarer Labordaten ist ein kinetisches Modell zur Beschreibung der CO2-Abscheidung auf Basis wässriger Aminlösungen in Absorptionskolonnen mit strukturierten Packungen erstellt worden.
Zunächst wird eine Parametervariation durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine fälschlichen Beeinflussungen der Ergebnisse allein durch Parameterab-weichungen hervorgerufen werden. Durch die Verwendung einer ausreichen-den Stufenzahl bei den Berechnungen kann außerdem eine hinreichende Be-rechnungsgenauigkeit sichergestellt werden.
Zusammenfassend kann aufgezeigt werden, dass niedrige L/G-Verhältnisse und hohe CO2-Partialdrücke energetisch ideal sind, um möglichst geringe, spe-zifische Energiebedarfe der Waschmittelregeneration realisieren zu können. Weiterhin ist festzuhalten, dass der Energiebedarf der Waschmittelaufheizung einen Großteil des Gesamtenergiebedarfs ausmacht. Daher sind möglichst ho-he Waschmittelausgangstemperaturen nach der CO2-Absorption erstrebens-wert, um diesen zu minimieren.
Die Validierung des Modells an Hand von Modelldaten von drei verschiedenen Versuchsanlagen zeigt eine gute Übereinstimmung von theoretischen mit expe-rimentellen Daten.
Der Vergleich von Modelldaten mit experimentellen Daten der mobilen CO2-Anlage zeigt eine insgesamt gute Übereinstimmung mit leichten Abweichungen für niedrige L/G-Verhältnisse. Diese sind auf Ungenauigkeiten des hydrauli-schen Modells zurückzuführen und können durch einen dimensionslosen Kor-rekturterm minimiert werden.
Für experimentelle Daten der EFFICO2-Anlage (Anlage Nr. 2) liegt insgesamt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Modellergebnissen vor. Hier zeigen die Ergebnisse bei niedrigen L/G-Verhältnissen die insgesamt geringste Streu-ung und Abweichung von den Modelldaten.
Eine vergleichbare Übereinstimmung kann ebenfalls für die in [Tob2007] publi-zierten Versuchsdaten ermittelt werden (Vgl. Anlage 3). Auch hier sind für nied-rige L/G-Verhältnisse die geringsten Abweichungen von Experiment und Modell erkennbar. Ein Vergleich zu dem erheblich komplexeren Modell aus [Tob2007] zeigt, dass es auch auf Basis eines Modells mit sehr wenigen Labordaten mög-lich ist, eine gute Beschreibung der in Kolonnen mit strukturierten Packungen ablaufenden Prozesse bei der reaktiven CO2-Absorption in wässrige Aminlö-sungen durchzuführen.
Die Anwendung des kinetischen Modells auf alternative Waschmittelsysteme, hier Carbonat-Amin-Blends, zeigt, dass diese zum Teil deutlich bessere Ab-scheideleistungen unter gegebenen Betriebsparametern aufweisen als die Re-ferenzsubstanz 30 mass.-% MEA.
Die Ergebnisse dieser Arbeit machen deutlich, dass es möglich ist, mit Hilfe eines vergleichsweise simplen kinetischen Modells die Prozesse der CO2-Abscheidung im Technikumsmaßstab zu beschreiben. Hierzu ist es jedoch es-sentiell auf valide Daten und für das jeweils zu beschreibende System ange-passte Modellparameter zurückzugreifen.
Zur Ermittlung verlässlicher kinetischer und thermodynamischer Daten sind La-boraufbauten kritisch charakterisiert und im Vergleich zu Literaturdaten (Henry-Koeffizienten, Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten) validiert worden. Dabei ist eine sehr gute Übereinstimmung zu den Daten aus der Literatur gefunden wor-den.
Die praktische Übertragbarkeit des hier verwendeten Modells auf andere Waschmittel ist durch den Einsatz dieser Waschmittel im Technikumsmaßstab zeigen. Gerade Carbonat-Piperazin-Blends zeigen erste vielversprechende Er-gebnisse.
Weitere Arbeiten müssen vor allem das Langzeitverhalten von im Labor als vielversprechend charakterisierten Waschmittelformulierungen im Realbetrieb mit weiteren Schadkomponenten(SOx, NOx, Stäube) im Fokus haben. Gerade der Einfluss der Waschmitteldegradation in Hinblick auf Toxizität und Korrosivi-tät ist für die Gesamtbeurteilung eines Waschmittels noch genauer zu betrach-ten.Within the last decades a significant increase in the global mean temperature can be observed. This effect is discussed to be mainly contributed to an in-crease in anthropogenic green house gas emissions. Here CO2 has a major impact on the overall climate influence of these emissions.
Among the CO2 emitters fossil fueld power plants account to about half of the global CO2 emissions. Concerning the fact that these power plants will be nee-ded in the near future, a lot of efforts are made in order to increase the effi-ciency of such powerplants. Furthermore CO2 capture technologies are develo-ped. Among these technologies the Post Combustion CO2 Capture by aqueous amine solutions is the most mature.
By employing a certain solvent system to capture CO2 in a technical process one has to know its relevant physical and chemical properties in order to esti-mate its performance within the process.
In this work some laboratory setups are used and critically validated in order to measure reliable kinetic and thermodynamic data of different aqueous soluti-ons. Measured data are found to be in a good agreement with literature values. Physical CO2 mass transfer is modeled based on measured mass transfer coef-ficients and according to the two film model.
Detailed diffusion profiles are calculated to estimate the influence of gas- and liquid-phase diffusion effects on the overall mass transfer coefficients.
Absorption and desorption kinetics of aqueous solutions are directly measured with a wetted wall column reactor. A good agreement of measured desorption kinetics with literature data can be found.
A measurable influence of the carbamate stability on the desorption kinetics of CO2 from aqueous carbonate-amine-blends can be shown. By employing such blends a signficant amount of amine can be substituted by potassium carbonate by partly even increasing the reaction kinetics.
Furthermore a small pilot plant located at a coal fired power plant is operated to evaluate solvent performances under realistic flue gas conditions. Conducted experiments clearly indicate the dependencies of the overall absorption perfor-mance on different operation parameters, such as desorption temperature and liquid to gas ratio.
Apart from the pilot plant experiments a kinetic model is developed in order to estimate solvent performances on a technical scale based on a few reliable lab data. This model is critically validated based on experimental results obtained from three different carbon capture plants. A good agreement between experi-mental and theoretical data is obtained
Charakterisierung von regulatorischen T Zellen während der akuten Friend Retrovirus Infection von Mäusen.
No full textThe infection of mice with Friend retrovirus (FV) induces the expansion and activation of regulatory T cells (Tregs) during acute infection, which remain active throughout chronic infection. Tregs are responsible for the suppression of FV-specific CD8+ T cell responses, which is associated with the establishment of a chronic infection. In this thesis it was shown that the Tregs expanding during FV infection were natural nTregs rather than induced iTregs. Furthermore, these Tregs possessed the phenotype of activated and differentiated effector T cells, both in acute and chronic
FV infection. In a search of Treg specificity, the disproportionate expansion of T cell receptor Vβ5+ Tregs in acutely FV-infected mice was observed. It was known that these Vβ5+ Tregs are specific for an endogenous retroviral superantigen of the mouse mammary tumour virus 9. Investigation of this subset of Vβ5+ Tregs showed that they were
highly activated and suppressive and that their expansion was surprisingly independent of IL2. Vβ5+ Treg expansion was induced by activated effector CD8+ T cells that expressed TNFα. TNFα is a pleiotropic cytokine present in two forms, a soluble (solTNFα) and membrane-bound form (mbTNFα), which both preferentially bind to two different TNF
receptors (TNFR). It was shown that TNFRII but not TNFRI became significantly upregulated on Vβ5+ Tregs during acute FV infection. Also, the expansion of Vβ5+ Tregs was directly dependent on the presence of TNFRII, but not TNFRI, on the surface of these Tregs. FV-specific CD8+ T cells produce substantial amounts of mbTNF after stimulation, providing the important factor that binds to TNFRII on Vβ5+ Tregs and induces activation and proliferation. The use of CD8+ T cells of iRhom2-knockout mice, which only express mbTNFα, but no solTNFα, revealed a substantial
increase in Vβ5+ Treg expansion and activation. Finally, treatment of naïve mice with solTNFα did not induce expansion of Vβ5+ Tregs, whereas the treatment of naïve mice with a synthetic TNFRII ligand did, indicating that the intercellular communication between Treg and CD8+ T cells can be
bypassed by direct stimulation of the TNFRII. In an attempt to clarify the mechanism of Treg mediated suppression of effector T cell responses during FV infection the CD39/CD73 pathway was investigated. Here, mice that were deficient for either one of these ADP converting enzymes were
infected with FV. These experiments revealed that the loss of the rate limiting enzyme CD39 had a positive effect on effector CD4+ and CD8+ T cell responses, whereas no effect could not be demonstrated for the down-stream enzyme CD73. In a translational approach Tregs were characterised in the blood of untreated chronically HIV-1 infected individuals and shown to be expanded and activated in these patients compared to healthy individuals. Moreover, a possible mechanism of how Tregs help to prevent the transfer of HIV-1 from infected dendritic cells to conventional CD4+ T cells was investigated. This showed that Tregs were able to interfere with the co-localisation of HIV-1 particles
and actin, as part of the cytoskeleton of cells, at the interface between DCs and T cells.Die Infektion mit dem Friend Retrovirus (FV) induziert die Expansion und Aktivierung von regulatorischen T Zellen (Tregs) während der akuten und chronischen Infektion. Tregs verursachen die Suppression von FV-spezifischen CD8+ T Zellen was mit der Etablierung einer chronischen Infektion assoziiert ist. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass es während der FV Infektion zu einer Expansion von natürlichen nTregs kommt und eher nicht zur Expansion von induzierten iTregs.
Weiterhin besaßen diese Tregs den Phänotyp aktivierter und differenzierter Effektor T Zellen in der akuten sowie in der chronischen Infektion. Auf der Suche nach der Treg Spezifität wurde die disproportionale Expansion von T Zell Rezeptor Vβ5+ Tregs während der akuten FV Infektion entdeckt. Es war bereits bekannt, dass diese Vβ5+ Tregs spezifisch für das Superantigen des endogenen mouse mammary tumour virus 9 sind. Die Untersuchung der Vβ5+ Tregs zeigte, dass diese Zellen aktiviert und suppressiv waren. Außerdem besaßen diese Tregs die
ungewöhnliche Eigenschaft unabhängig von IL2 in ihrer Expansion zu sein. Die Expansion von Vβ5+ Tregs war abhängig von aktivierten Effektor CD8+ T Zellen die TNFα produzierten. TNFα ist ein pleiotropisches Zytokin, welches in zwei Formen vorkommt, eine lösliche (solTNFα) und eine membrangebundene (mbTNFα) Form, und diese binden mit unterschiedlichen Präferenzen an zwei TNF Rezeptoren (TNFR). Es konnte
gezeigt werden, dass TNFRII, aber nicht TNFRI, während der akuten FV Infektion signifikant auf Vβ5+Tregs hoch reguliert wurde. Die Expansion der Vβ5+ Tregs war direkt abhängig von der Expression von TNFRII aber nicht TNFRI auf ihrer Oberfläche. FV-spezifische CD8+ T Zellen produzieren mbTNFα nach Stimulation, welches an TNFRII auf Vβ5+ Tregs bindet und das wichtige Signal für die Expansion und Aktivierung dieser Zellen bietet. Durch den Einsatz von CD8+ T Zellen aus iRhom2-Knockout Mäusen, welche nur mbTNFα aber nicht solTNFα exprimieren, konnte eine
substantielle Expansion und Aktivierung von Vβ5+ Tregs gezeigt werden.
Letztendlich konnte gezeigt werden, dass die Behandlung von Mäusen mit solTNFα nicht zu einer Expansion von Vβ5+ Tregs führte, wohingegen die Behandlung mit einem synthetischen TNFRII Liganden die Expansion von Vβ5+ Tregs verursachen konnte. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass es möglich ist die Kommunikation zwischen Tregs und CD8+ T Zellen durch die Stimulation von TNFRII zu umgehen. In einem Ansatz, um den Mechanismus der Treg vermittelten Suppression von Effektor T Zell Antworten gegen FV zu bestimmen, wurde der CD39/CD73 Weg untersucht. Hierzu wurden Mäuse infizierten die für je eines dieser ADP
konvertierenden Enzyme defizient waren. Es wurde gezeigt, dass der Verlust des reaktionslimitierenden Enzyms CD39 einen positiven Effekt auf die Effektorfunktion von CD4+ und CD8+ T Zellen hatte. CD73 hingegen, welches später im Stoffwechselweg auftaucht, hatte keinen Effekt wenn es nicht vorhanden war. In einem transnationalen Ansatz wurden Tregs von unbehandelten chronisch HIV-1 infizierten Patienten im Blut charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Tregs dieser Patienten im Vergleich zu nicht infizierten Personen expandiert und aktiviert waren. Weiterhin, wurde ein möglicher Mechanismus untersucht bei dem
Tregs wichtig sind um den Transfer von Virus aus infizierten dendritischen Zellen zu CD4+ T Zellen zu inhibieren. Dies zeigte, dass Tregs in der Lage waren mit der Kolokalisation von HIV-1 Partikeln und Aktin, einem Bestandteil des Zytoskeletts von Zellen, an der Synapse zwischen DCs und T Zellen zu interferieren
Die Bestimmung von flüchtigen Metaboliten fäkaler Verunreinigungen in Wasserproben durch Differential Mobility Spectrometry
No full textEscherichia coli und Coliforme werden traditionell als Indikatororganismen für fäkale Kontamination in Wasser verwendet. Aufgrund des anhaltenden Ausbruchs von E. coli, besteht dringender Bedarf, alternative Methoden zu entwickeln, die die Bakterien zeitnah
und präzise detektieren und identifizieren können. Bisher verfügbare Standardmethoden benötigen einen hohen Zeitaufwand (18 – 48 ℎ).
In dieser Studie wurde ein empfindliches und schnelles Verfahren für den Nachweis von coliformen und E. coli Bakterien entwickelt. Das Verfahren ist eine Kombination aus einer enzymatischen und einer analytischenMethode. Die enzymatische Methode basiert auf der
modernen Taxonomie von Coliformen und E. coli, in dem das Vorhandensein / Nichtvorhandensein von Coliformen und E. coli Bakterien werden über die Anwesenheit / Abwesenheit der Enzyme B-Galaktosidase bzw. B-Glucuronidase bestimmt.
Die Analysemethode basiert auf der Kopplung von GC mit Differential Mobility Spectrometry betrieben werden. Anhand der Fingerprintanalyse ausgewählter flüchtiger Metaboliten wurde die Leistungsfähigkeit der Analysentechnik überprüft. Aus dem Head-space von Standard-Lösungen wurden ausgewählte Substanzen (2,5-Dimethyltetrahydrofuran, Dimethyldisulfid, 2-Heptanon, 2,5-Dimethylpyrazin, Benzaldehyd, Dimethyltrisulfid, 2-
Nonanon, Nonanal, Decanal, 2-Undecanon, Indol und 2-Tridecanon), die als Metaboliten von E. coli in der Literatur beschrieben werden, bestimmt. 2-Undecanon, Indol und 2-Tridecanon konnten aufgrund der relativ geringen Flüchtigkeit nicht detektiert werden.
Weiterhin wurden die experimentellen Parameter optimiert. Die Hochfrequenz-(RF-) Spannung beeinflusst die Peaktrennung und Signalintensität. Je höher die RF-Spannung, desto besser werden die Signale getrennt. Allerdings nimmt die Signalintensität ab; 1200 V
(entspricht 24 kV /cm ) wurde als die optimale HF-Spannung für die Detektion der oben genannten Verbindungen festgelegt.
Ein wichtiger experimenteller Parameter ist die Wahl des geeigneten Nährmediums. Folgende Nährmedia wurden verwendet: Colilert-18®, Glucose-Brühe, M9-Medium, tryptische Sojabrühe (TSB) und Tryptophan Brühe. Als optimal stellte sich Colilert-18 ®- Medium heraus, da bei dessen Verwendung für E. coli spezifisch o-Nitrophenol (ONP) freigesetzt wird, welches mit GC-DMS empfindlich nachweisbar ist. Die Validierung erfolgte mit Gaschromatographie - Massenspektrometrie (GC-MS)-Analyse.
Um die Analysenzeit zu verkürzen, wurden E. coli DSM 30083 Bakterien in Colilert-18® unter verschiedenen Inkubationszeiten gezüchtet. Nach 2,5 Stundenerfolgte die Spaltung von ONPG durch das Enzym B-Galactosidase. Nach dieser Zeit war es möglich, o-Nitrophenol
aufgrund der hohen Nachweisempfindlichkeit mittels GC-DMS zu detektieren. Das Signal erscheint bei einer Retentionszeit von tr = 184.9 s und Kompensationsspannungen von CVv,1 = −2.82 V (im positiven Modus) und Cv,2 = −4.09 V (im negativen Modus).
Die Nachweis- und Bestimmungsgrenzen für die Bestimmung von o-Nitrophenol wurde mit dem Kalibrierverfahren nach DIN 32645 zu 45 ng (pos. Mode) und 49 ng (neg. Mode) berechnet.
Da die gebildete Menge von der Konzentration der E. coli Bakterien in den Proben abhängt, wurde eine Korrelation zwischen der E. coli-Konzentration und der Signalintensität für o- Nitrophenol bestimmt. Nach 2,5 h Inkubationszeit wurden 3.37 × 10^7 bzw 3.21 × 10^7 E. coli cells/ml erhalten.
Um die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methode zu untersuchen, wurden für die Differenzierung von E. coli von anderen E. coli und von anderen Bakterien 5 Arten von Bakterien in Colilert-18® für 3 Stunden gezüchtet und die gasförmigen Metabolitemittels GC-DMS analysiert.
Als Bakterien wurden (1) E. coli DSM 30083, (2) E. coli DSM 1576, (3) E. coli RV, (4) K. pneumoniae (ein coliform Bakterien), und P. aeruginosa (ein nicht-coliforme Bakterien) ausgewählt. Basierend auf der Anwesenheit / Abwesenheit von ONP konnte E. coli und K. pneumoniae von P. aeruginosa unterschieden werden.
Basierend auf der Intensität des ONP-Signals und der endgültigen Zellkonzentration konnte E. coli von K. Pneumonie unterschieden werden. Mit der entwickelten Methode ist es jedoch nicht möglich, den Unterschied zwischen einzelnen E. coli-Stämmen zu unterscheiden.
Um die Wirkung von saisonalen Einflüssen im Feld zu überprüfen (z. B. Änderung der Wassertemperatur) wurde die Inkubationstemperatur variiert. Wie erwartet, wurde bei einer Temperatur von 36 ° ein maximales Zellwachstum beobachtet.
Abschließend wurde ein Algorithmus zur Detektion und Identifizierung von E. coli und Coliformen dargestellt. Mit der entwickelten Methode können die Zielorganismen erheblich schneller als mit bestehenden Methoden identifiziert werden. Somit ist ein hohes Potenzial
für den Einsatz vor Ort gegeben. Einschränkend ist die relativ hohe Nachweisgrenze, die durch Verwendung von Mikroextraktionstechniken als Anreicherungsmethode verbessert werden könnte.Escherichia coli and coliform are traditionally used as indicator organisms for fecal contamination in water. Due to persistence outbreak of E. coli, there is an urgent need to develop a method that could detect the bacteria in timely and accurate manners. The main limitation of standard and alternative methods is the time to obtain the result (18 – 48 ℎ). An analysis time exceeding one day is often too slow for authorities to take a rapid response in case of an outbreak. There are emerging analytical methods which are relatively faster, but most existing analytical methods have some technical limitations, such as the need for
vacuum, the need for oven, and the size of the analytical instruments which are not practical for on-site applications.
In this study, a method for rapid detection and identification of coliform and E. coli bacteria was developed. The method is a combination of enzymatic and analytical methods. The enzymatic method was built upon the modern taxonomy of coliform and E. coli, in which the presence/ absence of coliform and E. coli is characterized by the presence/absence of β- galactosidase and β-glucuronidase enzymes, respectively. As E. coli is also a type of coliform, the presence of E. coli is indicated by the presence of both enzymes. The analytical method employed the use of microAnalyzer™ (a miniaturized Gas Chromatography – Differential
Mobility Spectrometry (GC-DMS) system), which is an advanced gas detector that requires a low power consumption, has a built-in GC system, compact, portable, and could be operated using ambient pressure. Differential mobility spectrometry (DMS) is an ambient pressure
ion-separation technique that characterizes chemical substances using differences in the gas phase mobility of ions in alternating strong and weak electric fields that are generated using a high frequency asymmetric waveform.
In this study, at first the performance of GC-DMS in the detection of volatile metabolite compounds released by E. coli was investigated through “finger-print” recognition analysis. Twelve compounds known to be metabolites of E. coli (2,5-dimethyltetrahydrofuran, dimethyl disulfide, 2-heptanone, 2,5-dimethylpyrazine, benzaldehyde, dimethyl trisulfide, 2-
nonanone, nonanal, decanal, 2-undecanone, indole, and 2-tridecanone) were prepared from standard solutions and the headspace gases were analyzed by GC-DMS. It was found that the last three compounds (which have relatively low volatility) could not be detected by the GC-DMS. This study, however, revealed the effect of radio-frequency (RF) voltage on the peak separation and signal intensity: the higher the RF voltage, the better the separation among the peaks, but the poorer the signals intensity; 1200 V (corresponds to 24 kV/cm) was found to be an optimum RF voltage for the aforementioned compounds.
As the type and composition of metabolites released by bacteria are determined by many factors (such as the type of growth medium, the temperature of growth, and cell age), the study was continued by the determination of suitable growth medium, i.e. a medium which
could stimulate E. coli in producing either unique “finger-print” compounds or unique biomarker compounds, which could be detected by the miniaturized GC-DMS. Five media commonly used to grow E. coli were examined: Colilert-18®, glucose broth, M9-medium, tryptic soy broth (TSB) and tryptophan broth. It was found that unlike all other four media, Colilert-18® medium stimulated E. coli growth in a way that it produced a unique biomarker, namely o-nitrophenol (ONP), and this biomarker was detectable by the GC-DMS. The finding was confirmed by gas chromatography – mass spectrometry (GC-MS) analysis. Colilert-18®
contains ortho-Nitrophenyl-β-galactoside (ONPG) and 4-methylumbelliferyl-β-D-glucoronide
(MUG) substrates. In the presence of ONPG substrate, β- Galactosidase enzyme in E. coli and coliform is activated and helped the hydrolysis of ONPG into β-D-Galactose and onitrophenol.
In standard Colilert-18® test, due to its appearance, o-nitrophenol (which is a yellow crystalline solid) is usually used as a chromogenic indicator which confirms the absence/ presence of coliform. In the presence of the MUG substrate, β-Glucuronidase enzyme in E. coli is supposed to be activated and helped the hydrolysis of MUG into β-DGlucuronate and methylumbelliferone. However, headspace analysis of E. coli metabolites by GC-DMS and GC-MS analysis performed in this work only detected and identified the presence of o-nitrophenol, not of methylumbelliferone, due to the poor volatility of methylumbelliferone. Therefore, up to this particular point, the developed method was able
to detect and identify coliforms including E. coli, but not able to distinguish E. coli from other coliforms. To distinguish E. coli from non - E. coli, a standard Colilert-18® test which involved the viewing of the sample under a 365 nm -. fluorescent UV lamp was needed; the
presence of E. coli was indicated by a blue fluorescence effect.
The time to perform standard Colilert-18® test is usually between 18 and 24 ℎ, which is the main limitation of the method. To shorten the analysis time, E. coli DSM 30083 bacteria were grown in Colilert-18® under various incubation periods. It was found that the cleavage opening (the cleaving of ONPG by β-galactosidase enzyme) took approximately 2.5 ℎ, as
indicated by the presence of o-nitrophenol which could be detected by the GC-DMS after E. coli was incubated for just 2.5 ℎ. This means, the analysis time is 7 to 9 times faster than the standard Colilert-18® test. This is because the GC-DMS could detect a very low amount of onitrophenol
despite the subtle or insignificant color change of the chromogenic indicator in the sample. Signal peak of o-nitrophenol was detected by the GC-DMS at both positive and negative ion channels of the DMS detector. The signal appeared at a retention time of tr = 184.9 s and compensation voltages of Cv,1 = −2.82 V (in the positive mode) and
Cv,2 = −4.09 V (in the negative mode). GC-DMS system has three-dimensional data; it consists of: (1) retention time and (2) compensation voltage(s) which are unique to compounds’ identity, and (3) signal intensity. Unlike similar spectrometry methods, the difference in retention times of compound signals in GC-DMS could be very small (a matter
of seconds instead of minutes), and compounds could still be differentiated based on their unique compensation voltages. Overall, the work in this section showed that compared to the already shortened incubation period (2.5 ℎ), the GC-DMS retention time (184.9 ) is
much shorter. Hence, the analysis time using GC-DMS does not affect much the overall analysis time, which is excellent.
Detection limit of o-nitrophenol was determined by calibrating mass of o-nitrophenol standard against signal intensity using DIN 32645 method. Detection limits of 45.11 ng and 48.85 ng of o-nitrophenol were obtained for the positive and negative modes of the detector, respectively. As the amount of o-nitrophenol is a dependent variable (the amount of o-nitrophenol in the headspace depends on the concentration of E. coli in the samples), concentration of E. coli was calibrated against signal
intensity. When E. coli was incubated for 2.5 ℎ, detection limits of initial concentration of E. coli (concentration level before E. coli was incubated) of 3.37 × 10^7 and 3.21 × 10^7 cells/ml were obtained for the positive and negative modes, respectively. As E. coli growth curve showed the increase of final concentration of E. coli with respect to incubation
period, it is concluded that the limit of initial concentration could be decreased if the incubation period is increased.
To investigate the performance of the developed method in the differentiation of E. coli from other E. coli and from other bacteria, 5 types of bacteria were grown in Colilert-18® for 3 ℎ and the metabolite gases were analyzed by GC-DMS. These bacteria were (1) E. coli DSM 30083, (2) E. coli DSM 1576, (3) E. coli RV, (4) K. pneumonia (a coliform bacteria), and P. aeruginosa (a non-coliform bacteria). Based on the presence/absence of ONP, E. coli and K. pneumoniae could be distinguished from P. aeruginosa. Based on the intensity of ONP and the final cell concentration, E. coli could be distinguished from K. pneumonia. The method, however, could not distinguish the difference of E. coli from one strain to another.
To anticipate the effect of seasonal variation in practical application, e.g. change in water temperature, the effect of sample preheating temperature (i.e. incubation temperature) variation was investigated. It was found that the sample should be incubated at 36 ° to accommodate maximum cell growth and signal intensity. From the overall finding, an algorithm to detect and identify E. coli and coliform was presented. Overall, the developed method was significantly faster than existing methods, was able to differentiate target organisms from non-target organisms, and is potential for on-site application. The main limitation is the relatively high detection limit, which could be improved by improving the sample enrichment technique using membrane filtration technique, and by improving the sample extraction and introduction methods. Nevertheless, to the author’s knowledge, the method developed in this work is the first reported application of miniaturized (portable) GC-DMS technology for headspace analysis of volatile metabolite biomarkers in conjugation to enzymatic approach using a defined substrate
media and the first one which is applied for the detection and identification of fecal contaminant in water samples
Analysis of NK cells in intravenous drug users exposed to Hepatitis C
No full textPatienten mit intravenösem Drogenabusus („intravenous drug users“, IDUs) stellen eine Hauptrisikogruppe für Hepatitis-C-Virusinfektionen in Deutschland dar. In Deutschland sind 73% aller IDUs HCV seropositiv und nur 27% HCV seronegativ. Da Injektionsutensilien häufig von mehreren Personen geteilt werden, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit nahezu alle IDUs einschließlich der seronegativen Patienten HCV exponiert. Dies wirft die Frage auf, warum diese Gruppe der IDUs keine akute Infektion entwickelt und ob sie eine Art „natürliche Resistenz“ gegen eine HCV-Infektion haben.
NK-Zellen sind eine wichtige Population intrahepatischer Lymphozyten und unterschiedliche NK-Zellphänotypen wurden bei unterschiedlichen HCV-Infektionsverläufen beschrieben. NK-Zellen werden durch ein komplexes Netzwerk aus aktivierenden und inhibierenden Rezeptoren reguliert. Patienten, die für das Gen des inhibierenden NK-Zellrezeptors KIR2DL3 und seinen Liganden HLA-C1 homozygot sind, haben eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, eine HCV-Infektion spontan auszuheilen oder erst gar nicht infiziert zu werden. Allerdings bleibt der funktionelle Mechanismus für diesen protektiven Effekt ungeklärt.
In dieser Studie haben wir den Phänotyp und die Funktion der NK-Zellen von IDUs mit chronischer HCV-Infektion, ausgeheilter HCV-Infektion und HCV seronegativen IDUs vergleichend analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die NK-Zellen HCV seronegativer IDUs durch höhere Frequenzen von NKp46, KIR2DL3 und NKG2C sowie einer niedrigeren Frequenz von NKG2A charakterisiert sind. In Einklang mit der erhöhten NKp46 Frequenz wiesen NK-Zellen von HCV seronegtiven IDUs einen funktionellen Vorteil durch erhöhte CD107a Produktion auf, wenn sie über NKp44 und NKp46 stimuliert wurden. Eine detaillierte Analyse von NKG2A und KIR2DL3 zeigte statistisch signifikant erhöhte Frequenzen von KIR2DL3+NKG2A- NK Zellen bei HCV seronegativen IDUs. Zusätzlich konnten wir eine inverse Korrelation zwischen der Expression von KIR2DL3 und NKG2A zeigen. Es erscheint daher möglich, dass KIR2DL3 lediglich als Marker für eine niedrige NKG2A-Expression fungiert und selbst gar nicht für den ihm zugeschrieben protektiven Effekt verantwortlich ist. Die Analyse von Leberbiopsien HCV-infizierter Patienten zeigte eine erhöhte Transkription des NKG2A-Liganden HLA-E sowie eine Korrelation mit der Höhe der Viruslast. In primären humanen Hepatozyten wurde sowohl die HLA-E Transkription als auch die Proteinexpression durch Stimulation mit IFN-α erhöht. Um den Einfluss von HLA-E auf die KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen seronegativer IDUs weiter zu untersuchen, wurden NK-Zellen gesunder Individuen mit aktivierenden Zellen stimuliert, die entweder eine hohe oder eine niedrige HLA-E-Expression aufwiesen. In der Analyse von CD107a und IFN-γ Expression zeigte sich, dass die Gesamtpopulation der NK-Zellen sowie die Teilpopulation der KIR2DL3-NKG2A+ NK- Zellen in Anwesenheit von HLA-E inhibiert werden. Im Gegensatz dazu wurden die KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen nicht durch HLA-E inhibiert. Weiterhin konnten wir zeigen, dass NK-Zellen von chronisch mit dem HCV infizierten IDUs aber nicht NK-Zellen von HCV seronegativen IDUs wirksam durch die Anwesenheit von HLA-E inhibiert wurden. Wir schlagen hier ein Modell vor, in dem das HCV Hepatozyten infiziert und über Induktion von Typ I Interferonen HLA-E auf Hepatozyten hochreguliert. In diesem System werden KIR2DL3-NKG2A+ NK-Zellen, die vorwiegend in chronisch infizierten Patienten gefunden werden, effizient durch HLA-E gehemmt, was eine weitere HCV Replikation ermöglicht und in einer persistierenden Infektion resultiert. Im Gegensatz dazu können KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen der HCV seronegativen IDUs aktiviert werden und die Infektion kontrollieren, bevor es zur Serokonversion kommt.
Die Expansion dieser „protektiven“ NK-Zellen könnte die Folge einer speziellen NK-Zell-Lizensierung oder einer veränderten Differenzierung sein. Für die spezielle Lizensierung spricht, dass wir keine statistisch signifikanten Unterschiede bei dem Differenzierungsmarker CD57 feststellen konnten. Die spezielle Lizensierung wäre auch im Einklang mit der genetischen Assoziation zwischen bestimmten KIR/KIR-Liganden-Kombinationen und einem vorteilhaften HCV-Infektionsverlauf. Allerdings war zumindest eine Tendenz zu erhöhter Expression von CD57 auf NK-Zellen von seronegativen IDUs erkennbar, so dass ein fortgeschrittener Differenzierungsgrad der NK-Zellen zum „protektiven“ Phänotyp beitragen könnte. Interessanterweise ähnelt der NK-Zellphänotyp der HCV seronegativen IDUs dem Phänotyp nach einer HCMV Infektion. Zusammengefasst, weisen unseren Daten darauf hin, dass es mehr als einen Weg zu dem günstigen KIR2DL3+NKGA- NK Zell Phänotyp geben könnte. Während einige Patienten diesen Phänotyp als Konsequenz ihrer Immungenetik haben, resultiert er bei anderen möglicherweise aus einer Infektion zum Beispiel mit CMV. Eine Studie, die die Dynamik des NK-Zell-Phänotyps, sowie den HCV- und HCMV-Infektionsstatus über einen längeren Zeitraum untersucht, würde neue Einsichten in die Rolle von NK-Zellen bei der HCV-Infektion ermöglichen.
Intravenous drug users (IDUs) are a major risk group for hepatitis C infection in Germany. In fact 73% of IDUs living in Germany are HCV seropositive while only 27% of IDUs are HCV seronegative. The frequently reported shared use of injection equipment suggests that the majority of HCV seronegative IDUs have also been exposed to HCV, raising the question why these IDUs do not seroconvert and if they might have some kind of natural resistance to HCV infection. NK cells represent a major subset of intrahepatic lymphocytes and certain NK cell phenotypes have been associated with HCV infection outcome. NK cells are regulated by a complex network of activating and inhibiting receptors. Interestingly, homozygosity for the inhibiting NK cell receptor gene KIR2DL3 and its ligand HLA-C1 has been associated with HCV clearance and resistance to HCV. However, the functional mechanisms underlying this protective effect by genetic predisposition remain elusive.
In this study we comparatively analyzed the phenotype and function of NK cells of IDUs with chronic HCV infection, resolved HCV infection and seronegative IDUs. Our results show that NK cells of seronegative IDUs are characterized by higher frequencies of NKp46, KIR2DL3 and NKG2C and lower frequencies of NKG2A. In line with a functional benefit of higher NKp46 expression levels, we observed increased CD107a production by NK cells of seronegative IDUs when NK cells were activated via NKp44 and NKp46. A more detailed analysis of NKG2A and KIR2DL3 revealed significantly higher frequencies of KIR2DL3+NKG2A- NK cells in HCV seronegative IDUs. In addition, we showed an inverse correlation between KIR2DL3 and NKG2A expression, suggesting that KIR2DL3 may potentially serve as a tag for NKG2A expression rather than playing a causal role for the previously described protective effects itself. Analysis of liver biopsy samples revealed increased transcription levels of HLA-E, the NKG2A ligand, in liver biopsies of HCV infected patients correlating with HCV viral load. In vitro experiments with primary human hepatocytes demonstrated that HLA-E transcription and protein expression were upregulated by IFN-α. To elucidate the influence of HLA-E on the KIR2DL3+NKG2A- NK cells of seronegative IDUs, we stimulated NK cells of healthy individuals with HLA-E high and low expressing target cells and analyzed CD107a and IFN-γ production. Total NK cells and KIR2DL3-NKG2A+ NK cells were inhibited in the presence of HLA-E high expressing target cells, while KIR2DL3+NKG2A- NK cells were not inhibited in the presence of HLA-E. Furthermore, we were able to show that NK cells of chronically HCV infected IDUs were potently inhibited in the presence of HLA-E while NK cells of seronegative IDUs showed no inhibition. We suggest a model in which HCV productively infects hepatocytes and causes type I interferon-mediated HLA-E upregulation. In this setting KIR2DL3-NKG2A+ NK cells, predominantly found in chronically HCV infected individuals, are potently inhibited by HLA-E allowing ongoing HCV replication and persistent infection, while KIR2DL3+NKG2A- NK cells, characteristically found in seronegative patients, can readily respond and eliminate HCV infection before seroconversion.
Expansion of this “protective” NK cell phenotype in HCV seronegative IDUs could be the consequence of distinct NK cell education/licensing or a different NK cell differentiation stage. In favor of distinct education of NK cells in HCV seronegative IDUs we did not observe a statistically significant difference in CD57 expression as a marker of advanced differentiation of NK cells. This would be in line with previous genetic association studies linking a particular KIR/KIR-ligand genotype with favorable HCV outcome. However, there was at least a trend towards higher CD57 expression on NK cells of HCV seronegative IDUs, suggesting that an advanced differentiation state my partly contribute to the phenotype. Interestingly, the NK cell phenotype in HCV seronegative IDUs resembles the NK cell phenotype described upon HCMV infection. Collectively, our data indicate that there might be more than one path to the generation of the favorable KIR2DL3+NKG2A- NK cell phenotype. While some patients have the NK cell phenotype by genetic predisposition others may develop it as a consequence of infections such as HCMV. A prospective study analyzing potential changes of the NK cell phenotypes, HCV infection status and HCMV infection status over a longer period of time is needed and would allow to gain new insights into the dynamics of the interaction between NK cells and HCV infection.
7 Zusammenfassung
Patienten mit intravenösem Drogenabusus („intravenous drug users“, IDUs) stellen eine Hauptrisikogruppe für Hepatitis-C-Virusinfektionen in Deutschland dar. In Deutschland sind 73% aller IDUs HCV seropositiv und nur 27% HCV seronegativ. Da Injektionsutensilien häufig von mehreren Personen geteilt werden, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit nahezu alle IDUs einschließlich der seronegativen Patienten HCV exponiert. Dies wirft die Frage auf, warum diese Gruppe der IDUs keine akute Infektion entwickelt und ob sie eine Art „natürliche Resistenz“ gegen eine HCV-Infektion haben.
NK-Zellen sind eine wichtige Population intrahepatischer Lymphozyten und unterschiedliche NK-Zellphänotypen wurden bei unterschiedlichen HCV-Infektionsverläufen beschrieben. NK-Zellen werden durch ein komplexes Netzwerk aus aktivierenden und inhibierenden Rezeptoren reguliert. Patienten, die für das Gen des inhibierenden NK-Zellrezeptors KIR2DL3 und seinen Liganden HLA-C1 homozygot sind, haben eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, eine HCV-Infektion spontan auszuheilen oder erst gar nicht infiziert zu werden. Allerdings bleibt der funktionelle Mechanismus für diesen protektiven Effekt ungeklärt.
In dieser Studie haben wir den Phänotyp und die Funktion der NK-Zellen von IDUs mit chronischer HCV-Infektion, ausgeheilter HCV-Infektion und HCV seronegativen IDUs vergleichend analysiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die NK-Zellen HCV seronegativer IDUs durch höhere Frequenzen von NKp46, KIR2DL3 und NKG2C sowie einer niedrigeren Frequenz von NKG2A charakterisiert sind. In Einklang mit der erhöhten NKp46 Frequenz wiesen NK-Zellen von HCV seronegtiven IDUs einen funktionellen Vorteil durch erhöhte CD107a Produktion auf, wenn sie über NKp44 und NKp46 stimuliert wurden. Eine detaillierte Analyse von NKG2A und KIR2DL3 zeigte statistisch signifikant erhöhte Frequenzen von KIR2DL3+NKG2A- NK Zellen bei HCV seronegativen IDUs. Zusätzlich konnten wir eine inverse Korrelation zwischen der Expression von KIR2DL3 und NKG2A zeigen. Es erscheint daher möglich, dass KIR2DL3 lediglich als Marker für eine niedrige NKG2A-Expression fungiert und selbst gar nicht für den ihm zugeschrieben protektiven Effekt verantwortlich ist. Die Analyse von Leberbiopsien HCV-infizierter Patienten zeigte eine erhöhte Transkription des NKG2A-Liganden HLA-E sowie eine Korrelation mit der Höhe der Viruslast. In primären humanen Hepatozyten wurde sowohl die HLA-E Transkription als auch die Proteinexpression durch Stimulation mit IFN-α erhöht. Um den Einfluss von HLA-E auf die KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen seronegativer IDUs weiter zu untersuchen, wurden NK-Zellen gesunder Individuen mit aktivierenden Zellen stimuliert, die entweder eine hohe oder eine niedrige HLA-E-Expression aufwiesen. In der Analyse von CD107a und IFN-γ Expression zeigte sich, dass die Gesamtpopulation der NK-Zellen sowie die Teilpopulation der KIR2DL3-NKG2A+ NK- Zellen in Anwesenheit von HLA-E inhibiert werden. Im Gegensatz dazu wurden die KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen nicht durch HLA-E inhibiert. Weiterhin konnten wir zeigen, dass NK-Zellen von chronisch mit dem HCV infizierten IDUs aber nicht NK-Zellen von HCV seronegativen IDUs wirksam durch die Anwesenheit von HLA-E inhibiert wurden. Wir schlagen hier ein Modell vor, in dem das HCV Hepatozyten infiziert und über Induktion von Typ I Interferonen HLA-E auf Hepatozyten hochreguliert. In diesem System werden KIR2DL3-NKG2A+ NK-Zellen, die vorwiegend in chronisch infizierten Patienten gefunden werden, effizient durch HLA-E gehemmt, was eine weitere HCV Replikation ermöglicht und in einer persistierenden Infektion resultiert. Im Gegensatz dazu können KIR2DL3+NKG2A- NK-Zellen der HCV seronegativen IDUs aktiviert werden und die Infektion kontrollieren, bevor es zur Serokonversion kommt.
Die Expansion dieser „protektiven“ NK-Zellen könnte die Folge einer speziellen NK-Zell-Lizensierung oder einer veränderten Differenzierung sein. Für die spezielle Lizensierung spricht, dass wir keine statistisch signifikanten Unterschiede bei dem Differenzierungsmarker CD57 feststellen konnten. Die spezielle Lizensierung wäre auch im Einklang mit der genetischen Assoziation zwischen bestimmten KIR/KIR-Liganden-Kombinationen und einem vorteilhaften HCV-Infektionsverlauf. Allerdings war zumindest eine Tendenz zu erhöhter Expression von CD57 auf NK-Zellen von seronegativen IDUs erkennbar, so dass ein fortgeschrittener Differenzierungsgrad der NK-Zellen zum „protektiven“ Phänotyp beitragen könnte. Interessanterweise ähnelt der NK-Zellphänotyp der HCV seronegativen IDUs dem Phänotyp nach einer HCMV Infektion. Zusammengefasst, weisen unseren Daten darauf hin, dass es mehr als einen Weg zu dem günstigen KIR2DL3+NKGA- NK Zell Phänotyp geben könnte. Während einige Patienten diesen Phänotyp als Konsequenz ihrer Immungenetik haben, resultiert er bei anderen möglicherweise aus einer Infektion zum Beispiel mit CMV. Eine Studie, die die Dynamik des NK-Zell-Phänotyps, sowie den HCV- und HCMV-Infektionsstatus über einen längeren Zeitraum untersucht, würde neue Einsichten in die Rolle von NK-Zellen bei der HCV-Infektion ermöglichen.
The system dynamics encoding method – development of a research methodology for the exploration of complex models
No full textDie Zunahme an Komplexität innerhalb biologischer, sozialer oder psychologischer Felder führt in der heutigen Zeit zu einem Defizit von Perzeptions- und Steuerungsmöglichkeiten. Bedingt wird diese Problematik durch erhöhte Wechselbeziehungen sowie die zeitliche und räumliche Trennung von Ursache und Wirkung. Demnach ist die Entstehung von Komplexität durch enge Kopplungen, Rückkopplungsprozesse, Nicht-Linearität, Selbstorganisation und Kontraintuitivität gekennzeichnet, welche durch cartesianisch-lineare Analysen zumeist nicht aufzulösen ist. Diese sind determiniert durch die Zerlegung von Problemen in Einzelteile und eine Erklärung des Gesamtphänomens durch anschließende Summierung, welches zur Bekämpfung von Einzelsymptomen und linear-sequenziellen Problemlösungsstrategien führt. Konträr zur analytischen Vorgehensweise bedarf es bei der Erkennung generischer Strukturmuster eines systemdynamischen Ansatzes. Basierend auf dem primär quantitativen System-Dynamics-Ansatz können, durch die modellbasierte Konstruktion generischer Strukturen, Wahrscheinlichkeitsaussagen über das Systemverhalten getroffen und potentielle Lösungshebel identifiziert werden. Jedoch existieren für systemdynamische Untersuchungen diverse Probleme, welche die Güte des Ansatzes beeinträchtigen. Als wesentlichste Probleme kann die Willkürlichkeit und die Subjektivität der Modellkonstruktion angeführt werden, welche auf das Fehlen einer wissenschaftlich fundierten Methode zurückzuführen sind. Zudem bezweckt die quantitative Fokussierung die Negierung des Primats der Offenheit gegenüber Neuentdeckungen, die jedoch durch ein qualitatives Forschungsvorgehen gefördert werden. Zur Überwindung dieser Probleme wird durch die Verknüpfung qualitativer Forschungsvorgehen sowie systemdynamischer Komponenten und Ansätze (Allgemeine Systemtheorie und Kybernetik) eine Systemdynamische Kodiermethode (SDKM) entwickelt, die in einen systemdynamischen Untersuchungsprozess (SDU) eingebettet und anhand der Stakeholderbeziehungen von H&M expliziert wird. Diese integrative Verfahrensweise ermöglicht die Förderung systemischen Denkens und die Optimierung einer ganzheitlichen Untersuchung, welche zur Verbesserung der Hebelidentifikation, Formulierung von Entscheidungsregeln sowie langfristigen Perzeptionszunahme für komplexe Probleme führt.The increase of complexity within biological, social or psychological fields leads nowadays to a deficit of perception and control possibilities. This problem is determined by accelerating interdependences as well as temporal and spatial separation of cause and effect. Accordingly, the origin of complexity is distinguished by tight couplings, feedback loops, non-linearity, self-organization and counter-intuitiveness, which mostly cannot be dissolved by Cartesian-linear analysis. These are determined by the decomposition of problems into separated parts and an explanation of the overall phenomenon by subsequent summation, which leads to symptom control and linear-sequential problem-solving strategies. Contrary to the analytical procedure the detection of generic structural patterns requires a system dynamical approach. Based on the predominant quantitative system dynamics approach, the model-based construction of generic structures allows to make probability statements about the system behavior and to identify potential levers of problem-solving. Though, there are various problems of system dynamical investigations, which compromise the quality of the approach. The main problems are the arbitrariness and the subjectivity of model construction, which is due to the lack of a scientifically based method. Furthermore, the quantitative focus purposes the negation of the primacy of openness to new discoveries, which will be facilitated by a qualitative research approach. To overcome these problems it is necessary to combine qualitative research approaches as well as system dynamical investigation components and approaches (General Systems Theory and Cybernetics) to develop a system dynamical coding method, which is integrated in a system dynamical investigation process and explained by the stakeholder relations from H&M. This integrative procedure allows the facilitation of systems thinking and the optimization of a holistic investigation, which leads to an improvement of the lever identification, the formulation of decision policies as well as a long-term increase of perception for complex problems