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. A study on the sustainable establishment of learning-innovations in higher education
No full textHochschulen stehen heute mehr denn je vor der Herausforderung,
Studienbedingungen zu schaffen, mit denen Studierende ideal auf weiterführende Studien, wissenschaftliche Karrieren oder den Arbeitsmarkt vorbereitet werden. Dazu zählen neben einem breiten, interdisziplinären Fächerangebot und Lehrinhalten, die eng an Forschung anknüpfen, auch Faktoren wie flexible Studienbedingungen und selbstgesteuerte Lernmöglichkeiten. E-Learning ist ein wichtiges Instrument, damit Studierende heute bereits vielfach an innovativen Lehr-Lernszenarien partizipieren können. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Frage, wie und welche Anreize Hochschulen setzen können, um innovative Lehr-Lernformate in der Lehre nachhaltig zu verankern. Dabei werden die besonderen organisationalen Rahmenbedingungen
von Hochschulen einerseits und die spezifische Motivlage von Wissenschaftler/innen an Universitäten andererseits diskutiert. Eine Befragung von Hochschullehrenden, die E-Learning in hochschulübergreifenden Szenarien eingesetzt haben, unterstützt die These eines tätigkeitszentrierten und vor allem selbstbestimmten Selbstbildes, dass mit vielen – insbesondere monetären – Anreiz- und Steuerungsmaßnahmen im Widerspruch steht. Die durch Partizipation an extrinsischen Anreizen entstehende Dissonanz kann unterschiedlich aufgelöst werden. Auf Grundlage der Selbstbestimmungstheorie von Deci & Ryan wird analysiert, inwieweit bei Hochschullehrenden Internalisierung, Taktieren oder Motivationsverlust zu beobachten ist. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass vorwiegend eine Identifikation stattfindet, die in Kombination mit taktischen Überlegungen das Handeln bestimmt. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Anreizmodell für E-Learning an Hochschulen entwickelt, dass die spezifische Motivlage Hochschullehrender aufgreift.Higher education is more than ever facing the challenge of creating conditions to optimally prepare students for further studies, scientific careers and the job market. Such conditions include, in addition to a broad, interdisciplinary range of subjects and course contents, also flexible and self-directed learning opportunities. E-learning is an important tool for this purpose. Through e-learning, students at present can already participate in many innovative teaching and learning scenarios.
There has been reached a wide consensus on the high potential of integrating learning innovations with new media in higher education. In fact, the federal state and individual universities have, in the past ten to fifteen years supported numerous programs for the development and dissemination of e-learning. The support of e-learning by means of financial resources however has not succeeded in putting the change process towards an establishment of learning-innovations propriately in motion. Hence, new procedures and methods need to be found to increase the participation in e-learning and establish a widespread use of e-learning in everyday academic life.
Due to the specific organizational structures of universities and the very powerful position of university teachers it is hardly promising to try to command the use of e-learning by authority. University teachers can always delete, deny or oppose change efforts of the management without having to expect serious consequences. To encourage a sustainable and wide adoption of e-learning, thus there need to be found alternative arrangements to raise the attractiveness for university teachers of employing e-learning for their courses.
The aim of the present study is to elaborate recommendations on how to design and establish incentives for university teachers. It is analyzed how different incentives take the specific motives of university teachers into account as well as the constitution of barriers to participation in the process. University teachers of various disciplines at German universities are surveyed about common incentives and their specific motivational states. One challenge in designing incentives is to gain an accurate picture of the specific motivational states and patterns of the target group.
Faculty members have a particular self-image, in which they see themselves as autonomous individuals with an intrinsic motivation. Despite the ostensible contradiction of control by monetary incentives and a self-perception of selfdetermined individuals, faculty members often participate in monetary incentives. It can be assumed, therefore, that they find solutions to resolve the dissonance of their self-perception and the external control. Based upon those findings, recommendations are made for the design of incentives for faculty members to raise the adoption of e-learning in higher education
Sulfate radical based oxidation in water treatment
No full textSeit einigen Jahren wird der Einsatz von Sulfatradikalen (SO4●─) als potenzielles Oxidationsmittel in der Wasseraufbereitung diskutiert, welches z.B. bei der Photolyse von Peroxodisulfat (S2O82─) entsteht. SO4●─ sind starke Oxidationsmittel, die den Abbau von sehr stabilen Schadstoffen ermöglichen könnten. Ein Beispiel sind perfluorierte Carbonsäuren, die durch SO4●─ abgebaut werden jedoch in Gegenwart hochreaktiver Hydroxylradikale (●OH), die in sog. Advanced Oxidation Processes (AOP) z.B. beim Einsatz von Ozon gebildet werden, persistieren. Allerdings sind wichtige Aspekte einer potenziellen Anwendung von SO4●─ als Wasseraufbereitungsverfahren, wie Energieaufwand und Nebenproduktbildung, bislang kaum untersucht. Dies ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
In einem ersten Schritt wurde der Einfluss von natürlichem organischem Material (NOM) auf die Effizienz des Schadstoffabbaus untersucht und mit dem Einsatz von ●OH verglichen. Dabei zeigte sich, dass SO4●─ in Gegenwart von zwei Arten NOM (Suwannee River und aus Leonardith-Material extrahierte Huminsäuren), 2-3-fach effizienter war als in einem analogen ●OH basierten Verfahren, was auf eine geringere Reaktivität der SO4●─ mit NOM zurückgeführt werden kann. Allerdings reagieren einige Schadstoffe deutlich langsamer mit SO4●─ im Vergleich zu ●OH (z.B. tert-Butanol k(●OH) ≈ 108 M-1 s-1, k(SO4●─) ≈ 105 M-1 s-1), was sich kompensatorisch auf diesen Effizienzgewinn auswirkt.
Im Weiteren wurde die Bildung von Bromat (BrO3─) untersucht. BrO3─ ist ein wichtiges Nebenprodukt das beim Einsatz von Ozon in Gegenwart von Bromid (Br─) entstehen kann (EU und US-EPA Trinkwassergrenzwert: 10 µg L-1). Während SO4●─ in Reinstwasser Br─ zu BrO3─ oxidiert, führt die Gegenwart von NOM zu einer sehr effizienten Unterdrückung dieser Reaktion. Damit ist die übermäßige Bildung von BrO3─ auch in SO4●─ basierten Prozessen nicht zu erwarten. Bei einer übermäßigen Bildung von BrO3─ in einem Ozon-basierten Prozess könnte ein SO4●─ basiertes Verfahren eine günstigere Alternative darstellen.
Die Effizienz des Spurenstoffabbaus durch SO4●─ hängt entscheidend von der Cl─ und HCO3─/CO32─ Konzentration ab. SO4●─ reagieren rasch mit Cl─ (≈ 108 M-1 s-1) wobei Chloratome (Cl●) gebildet werden, die in Wasser zu ●OH umgesetzt werden. Bei mittleren bis hohen Cl─ Konzentrationen (≥ 1 mM) wird dabei ein Großteil der SO4●─ in ●OH umgesetzt und der SO4●─ basierte Prozess wird zu einem konventionellem AOP. In diesem System kann dabei die schnelle Reaktion von HCO3─/CO32─ mit Cl● zu einer Herabsetzung der Oxidationskraft führen.
Die Möglichkeit perfluorierte Tenside durch SO4●─ abzubauen ist in den letzten Jahren auf großes wissenschaftliches Interesse gestoßen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass in Gegenwart niedriger Konzentrationen an S2O82─ wenige Angriffe des SO4●─ bereits zu einer Mineralisierung von perfluorierten Carbonsäuren (PFCA) mit Kohlenstoffkettenlängen von < C5 führen können. Bei größeren PFCA konnte die Fluorbilanz aus Fluorid und organisch gebundenem Fluor nicht geschlossen werden, was auf die Bildung bislang nicht identifizierter Produkte hindeutet. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion SO4●─ plus PFCA (C4-C8) ergab jedoch sehr geringe kinetische Konstanten von 1-4 × 104 M-1 s-1. Dadurch ist der Energieaufwand, der für den Abbau dieser Stoffe in einem SO4●─ basierten Prozess aufgebracht werden muss, sehr hoch. Zudem werden perfluorierte Sulfonsäuren durch SO4●─ nicht abgebaut.
Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass SO4●─ in der Wasseraufbereitung prinzipiell als Oxidationsmittel eingesetzt werden können. Dabei hat allerdings die Zusammensetzung der Wassermatrix vor allem bezüglich der Menge an Cl─ und HCO3─ einen sehr großen Einfluss auf die Effizienz eines SO4●─ basierten Verfahrens. Ein sinnvoller Einsatz eines solchen Verfahrens ist vermutlich nur in Gegenwart kleiner Cl─ Konzentrationen möglich. Solche Rohwässer können in Gegenden mit geringer Bevölkerungsdichte und geringer industrieller Aktivität vorkommen. Es bleibt jedoch weiterhin fraglich, ob SO4●─ ein geeignetes Oxidationsmittel für den Abbau von perfluorierten Verbindungen in der Wasseraufbereitung darstellt.In the past years sulfate radicals (SO4●─) are increasingly discussed as an oxidizing agent for pollutant degradation in water treatment. Indeed, SO4●─ has some unique features, such as being a very strong electron acceptor enabling the degradation of recalcitrant compounds which are refractory towards the strongest oxidant used in water treatment, i.e., the hydroxyl radical (●OH) which is formed in advanced oxidation processes (AOPs) (e.g., ozonation or photolysis of hydrogen peroxide (UV/H2O2). One example is perfluorinated carboxylic acids (PFCAs), which can, albeit slow, be degraded by SO4●─, but persist in AOPs. However, important aspects related to SO4●─ based water treatment such as energy demand and by-product formation, are hardly discussed in current literature. This point is targeted by the present study.
The influence of the water matrix on SO4●─-based oxidation has been investigated by monitoring the behavior of model pollutants in a SO4●─ based process. It could be shown that for two types of natural organic matter (NOM) (humic acids extracted from Leonardith layers and Suwannee River NOM) degradation of pollutants by SO4●─ is ≈ 2-3 fold more effective than by ●OH. This indicates that SO4●─ reveals a smaller reaction rate towards NOM compared with ●OH. However, some pollutants react much faster with ●OH than with SO4●─ (e.g., tert-butanol: k(●OH) ≈ 108 M-1 s-1, k(SO4●─) ≈ 105 M-1 s-1), counterbalancing this effect.
In the next step formation of undesired by-products was investigated. One important by-product is the potential cancerogenic compound bromate (BrO3─) (EU- and US-EPA drinking water standard 10 µg L-1), that can be formed in ozonation. It was shown, that BrO3─ is also formed in presence of SO4●─ in pure water containing Br─. However, very little amounts of organic matter effectively inhibit BrO3─ formation. Hence, a SO4●─ based process could principally be used as substitute for ozonation if BrO3─ formation cannot sufficiently be controlled in the ozone based process.
The presence of Cl─ and HCO3─/CO32─ has far-reaching consequences on SO4●─ based processes. SO4●─ reacts fast with Cl─ (≈ 108 M-1 s-1). Thus, if Cl─ is present in the mM range a large fraction of SO4●─ is involved in oxidation of Cl─ yielding chlorine atoms (Cl●). In presence of water Cl● rapidly forms ●OH and Cl─. Hence, SO4●─ are converted to ●OH and the SO4●─ based system turns into a conventional AOP. However, the fast reaction of Cl● plus HCO3─ competes with the turnover of Cl● into ●OH, thus diminishing the oxidation strength.
The reaction of SO4●─ plus PFCAs has drawn a lot of attention on SO4●─ as a potential water treatment agent. It has been proposed in the literature, that PFCAs are degraded by SO4●─ in a step-wise process, that is, the primary product per radical attack is a PFCA shortened by one CF2-unit, at S2O82─ doses in large excess over PFCAs (≈ 50 fold). This process, finally leads to complete mineralization yielding F─ and CO2. The present study revealed, that at low S2O82─ concentrations (2 fold excess over PFCA) another reaction pathway sets in, leading to simultaneous formation of PFCAs shortened by up to 4 carbons. Interestingly, the fluorine balance (fluoride plus fluorine bond to PFCAs) was not complete in case of PFCAs with carbon chains > C5. That suggests the formation of products which have not been described in the literature yet. However, the rate constants of the reaction SO4●─ plus different PFCAs (C2-C8) are very small (1-4 × 104 M-1 s-1) indicating that large amounts of energy are required for their degradation. Furthermore, perfluorinated sulfonic acids (PFSAs) are not degraded at all.
The present work has shown, that SO4●─ can principally be used as an oxidant in water treatment. However, SO4●─ based processes are strongly affected by the presence of main water constituents, i.e., Cl─ and HCO3─, which can largely affect reactions occurring in the water matrix and the efficiency of pollutant degradation. A reasonable application of UV/S2O82─ probably is restricted to boundary conditions such as low Cl─ concentration in the source water. Such kind of source waters can especially be found in areas of low population density and little industrial activities. With regard to perfluorinated compounds, however, it is questionable if a SO4●─ based water treatment process represents a feasible tool for their degradation
Ab initio Molekulardynamik des Pentadienyliminium-Kations in Gasphase und in Lösung
No full textIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photoisomerisierung des Pentadienyliminium-Kation (PSB3) untersucht. Ziel war es Faktoren zu bestimmen, die die Isomerisierung vom cis- zum trans-PSB3 in Gasphase und in Lösung beeinflussen
Drive-Module for energy recovery at hydraulic linear actuators
No full textZum Antreiben der einzelnen Achsen einer Spritzgießmaschine haben sich sowohl hydraulische als auch elektrisch-mechanische Konzepte sowie Hybridvarianten dieser beiden Technologien fest am Markt etabliert. Dabei gelten die elektrisch-mechanisch angetriebenen Spritzgießmaschinen als besonders energieeffizient.
Hydraulisch angetriebene Spritzgießmaschinen zeichnen sich insbesondere durch niedrige Investitionskosten und eine hohe Leistungsdichte bzw. eine hohe Kraftdichte aus. So werden elektrisch-mechanisch angetriebene Spritzgießmaschinen von den meisten Herstellern bis zu einer maximalen Schließkraft von 10.000 kN angeboten. An hydraulisch angetriebenen Schließeinheiten werden Schließkräfte bis zu 55.000 kN erreicht. Ziel dieser Arbeit ist es grundlegende Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz an Schließeinheiten zu erarbeiten und zu untersuchen, wobei insbesondere Schließeinheiten mit maximalen Schließkräften größer 10.000 kN fokussiert werden sollen, bei denen elektrisch-mechanische Antriebskonzepte aufgrund der geringeren Kraftdichte nur bedingt geeignet sind.
Im Fokus steht dabei die Entwicklung eines Konzeptes, mit dessen Hilfe auch bei hydraulischer Antriebstechnik Energie beim Abbremsen der Schließeinheit bzw. beim Abbau der Schließkraft zurückgewonnen werden kann.
Im Rahmen der Vorarbeiten wurde zunächst an unterschiedlichen Spritzgießmaschinen untersucht, wo genau die Ursachen für energetische Verluste zu finden sind. Dabei wurden zwei hydraulisch angetriebene Spritzgießmaschinen und eine elektrisch-mechanisch angetriebene Spritzgießmaschine betrachtet. Insbesondere bei den hydraulisch angetriebenen Spritzgießmaschinen war es möglich, durch das Messen der hydraulischen Drücke und Volumenströme an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Maschine, den Energiefluss in der Maschine darzustellen und Ursachen für energetische Verluste zu lokalisieren.
Im nächsten Schritt wurden Maßnahmen erarbeitet und in einem Konzept umgesetzt, welches bereits einige der dargestellten Ursachen für energetische Verluste behebt bzw. deren Auswirkung auf ein Minimum reduziert. Bei dem Konzept handelt es sich um einen dezentralen Antrieb für eine einzelne Funktion (exemplarisch für den Anwendungsfall Schließkraftaufbau entwickelt). Dieser kann wie es bei elektrisch-mechanisch angetriebenen Spritzgießmaschinen Stand der Technik ist exakt für diese Funktion angepasst werden. Durch den Einsatz eines für eine Einzelfunktion adaptierten Hydrospeichers ist es möglich den Komponentenwirkungsgrad der Antriebseinheit zu steigern, die installierte Antriebsleistung zu verringern und elektrische Lastspitzen im Stromversorgungsnetz zu vermeiden.
Zur Erprobung dieses Konzeptes wurde ein Demonstrator im Labormaßstab für eine Schließkraft von 600 kN konstruiert und aufgebaut. Bei diesem Demonstrator bringt ein Differenzialzylinder eine Kraft auf ein mechanisches Ersatzsystem auf, welches das elastische Deformationsverhalten der Schließeinheit und des Spritzgießwerkzeugs abbildet. Die Steifigkeit des Systems ist variabel, so dass unterschiedliche Spritzgießwerkzeuge bzw. Schließeinheiten experimentell abgebildet werden können. Für eine Versuchsreihe wurde die Steifigkeit so angepasst, dass am Demonstrator die gleiche mechanische Arbeit verrichtet wird wie bei einer exemplarisch gewählten Referenzmaschine mit einem entsprechenden Referenzwerkzeug.
Dabei wurde der Energieverbrauch der Antriebseinheit der Referenzmaschine für den Schließkraftaufbau ermittelt und mit dem Energieverbrauch des Demonstrators verglichen. Basierend auf den Ergebnissen wurden Maßnahmen zur Optimierung erarbeitet und modellbasiert untersucht.
Im nächsten Schritt wurden Konzepte erarbeitet, in Simulationsmodellen abgebildet und untersucht, um zum einen die kinetische Energie der bewegten Masse beim Abbremsen der Schließeinheit und zum anderen die in der elastischen Deformation der Schließeinheit und des Spritzgießwerkzeugs enthaltene Federenergie zu rekuperieren. Dazu wurden zunächst die Kraftachse und die Bewegungsachse getrennt voneinander betrachtet. Für die beiden Funktionen wurden die erarbeiteten Konzepte auf Basis der Simulationsergebnisse bewertet und jeweils das Konzept welches das größte Potenzial vermuten lässt für eine weitere Betrachtung ausgewählt. Anschließend konnte basierend auf den beiden Konzepten für die einzelnen Funktionen ein Konzept erarbeitet werden, das sowohl die Werkzeugbewegung als auch den Schließkraftaufbau abdeckt. Der Fokus lag dabei auf einer möglichst flexiblen Systemstruktur, um eine Untersuchung verschiedener Konzeptvarianten zu erlauben ohne dass dazu eine grundlegende Systemveränderung erforderlich ist.
Zur Untersuchung des Systems wurde ein Simulationsmodell in der Umgebung Matlab/Simulink aufgebaut. Zur Parametrierung des Modells konnten Methoden erarbeitet werden, die es erlauben die vom Hersteller publizierten Kenndaten bzw. Kennlinien einzelner Komponenten auf das Modell zu übertragen. Weiterhin wurden Experimentalsysteme im Labormaßstab konstruiert und aufgebaut, mit denen die Simulationsergebnisse experimentell validiert wurden.
Dabei konnte für die Validierung der Arbeitsfunktion (Schließkraftaufbau) der bereits für die Voruntersuchungen herangezogene Demonstrator verwendet werden. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden unbekannte Modellparameter für den realen Anwendungsfall abgeschätzt und auf das Modell übertragen.
An dem validierten Modell wurden im nächsten Schritt unterschiedliche Konzeptvarianten mit dem Ziel untersucht, den energetischen Nutzen zu steigern und die Systemkomplexität zu verringern. Dabei wurden Varianten mit und ohne Differenzialschaltung zum Durchführen der Werkzeugbewegung untersucht, eine angepasste Prozessführung zur bedarfsgerechten Schließkraftführung betrachtet und eine Konzepterweiterung zur Steigerung des Nutzungsgrades der gespeicherten Energie erarbeitet. Im Rahmen einer Parameterstudie konnte der Einfluss unterschiedlicher Auslegungs- und Konstruktionsparameter auf das Systemverhalten untersucht werden. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden Kennwerte definiert und Gleichungen erarbeitet, welche die Auslegung des Systems für einen definierten Anwendungsfall unterstützen sollen.
Anschließend wurde das System für einige definierte Anwendungsfälle ausgelegt und in dem Simulationsmodell abgebildet. Die simulierten Eigenschaften wurden den gemessenen Eigenschaften der untersuchten Maschinen aus den Voruntersuchungen gegenübergestellt, um Aussagen über das Potenzial dieser neuartigen Antriebstechnik treffen zu können. Weiterhin wurde das System für zwei Maschinen mit einer maximalen Schließkraft von 13.000 kN und einer maximalen Schließkraft 40.000 kN ausgelegt.
Die jeweiligen Maschinen wurden mit dem entwickelten Antriebsmodul in der Simulation abgebildet und deren Funktionsweise bewertet. Abschließend konnte ein finaler Entwurf erarbeitet und dessen wirtschaftlicher Nutzen für einen definierten Anwendungsfall anhand einer Investitionskostenrechnung beurteilt werden.During the cyclic injection molding process, the energy consumption becomes more and more significant. Several reasons to achieve a better energy efficiency are given by politics and limited natural resources. Depending on the drive technology, a high ratio of the total energy consumption during the injection molding process is caused by the drives. There are various concepts to drive an injection molding machine. The concepts range from full hydraulic, hybrid to full electrical driven machines. The full electrical ones are known for their high energy efficiency. In contrast to these machines, the energy recovery during the breaking process of the single axis, for a full hydraulic injection molding machine is not state of the art. Due to the huge power density of hydraulic drive systems, these machines are commonly used for applications that need clamping forces bigger than 10.000 kN. Particularly in these cases, there is the biggest capability for energy recuperation. This capability is caused by the big mass movement and the high value of spring energy (the stored energy in a spring), that is contained into the elastic deformed mold and clamping unit during the clamping force application. For full hydraulically driven machines, clamping forces up to 55.000 kN are possible. The topic of this thesis is the development of a novel hydraulic drive module for the energy efficiency improvement of clamping units which are designed for clamping forces bigger than 10.000 kN. For theses ones full electrically drives are not adequate. In this context, the energy recovery (kinetic energy as well as spring energy) has been focused.
Within the preliminary studies, some investigations are done with different injection molding machines. Here the focus of interest is set on the detection of different sources for energy losses. During these studies, two different full hydraulic driven machines and one entirely electrical one were analyzed. Especially for the full hydraulically driven machines, it was possible to visualize the energy flow. Sources for energy losses were discovered, by measuring the hydraulic pressures and the hydraulic flow rates at different locations. The next set of the preliminary studies was the development of a new hydraulic drive concept, which already improves the energy efficiency by avoiding some of the detected causations for losses. The presented solution is a de-central drive module for the power supply of a single function. In this case, the module is developed exemplarily for the clamping force application. With this drive module the dimensions of the drive unit can be adjusted exactly to the requirements of the considered function. This is already best practice for full electrically driven axis. By using a hydraulic single function designed accumulator, it is possible to increase the degree of efficiency of the drive unit and to decrease the required nominal drive power. In addition, it is possible to avoid power peaks within the power supply network. For testing this drive module a prototype was built in a laboratory scale for a clamping force about 600 kN.
A hydraulic differential cylinder is used for the force application to a mechanical system with an adjustable stiffness. This mechanical system is representing the elastically behavior of the mold. For the experimental investigations, the stiffness of the system was adjusted to a reference machine with a reference mold. Therefore, it is possible to compare the energy consumption of both systems to each other. Based on the results, further improvements are developed for an increasing of the energy efficiency of this system. During the concept determination, new drive concepts were developed with the aim, to recover the kinetic energy which is stored within the movable mass of the clamping unit as well as the spring energy which is stored within the elastically deformation of the mold and the clamping unit. For the first investigations, the movement and the force application were considered as divided functions. Each concept is simulated using the simulation environment of matlab/simulink. Based on the simulation results, the drive concepts with the best capability were taken into account, for a new drive module. This new device contains both functions. The new module was designed to achieve a high system flexibility to analyze different concept variations with one and the same simulation model. Therefore, it is possible to avoid inaccuracies during the comparison of the single variations caused by the model building process.
For this drive module, which is called the 2PC-Recu-Module (2-Plates-Clamping-Unit-Recuperation-Module), a new simulation model was developed using matlab/simulink. To calibrate the model parameters, characteristic curves of the hydraulic components (that are published by the manufacturers) are matched with the simulation model. Furthermore a laboratory scaled experimental system was built for the validation of the simulation results, which are related to the recuperation of the kinetic energy. For the validation of the force application function, the experimental system using during the preliminary studies was taken. Based on the comparison between the simulation and measurement results, unknown parameters were estimated and mapped within the simulation model. For a further increasing of the energy efficiency and a decreasing of the system complexity, the simulation model was used for some investigations, which are concerned with different system variations. For this purpose, variations with and without a differential setup were considered. Also a modified process conduct with a clamping force devolution was taken into account that is fitted to the actually requirements of the process. In addition, an improving of the efficiency during the clamping force application was done.
Within a parameter study, the influence of different system parameters was examined. Based on these results, characteristic values were developed, which can be used to support the system design process. Thereafter, the driving module was designed for different application cases using the simulation results relating to the preliminary studies. The simulated system behavior of the clamping unit, using the 2PC-Recu-Module, was compared to the measured system behavior of the injection molding machines that was measured during the. In addition, the system was adjusted for two different clamping units. The first machine has got a maximum clamping force of about 13.000 kN, the second one has a maximum clamping force of about 40.000 kN. With the aid of the simulation model, the degree of recuperation for the new drive module was assessed. Finally, a recommendation for a system design is presented and the economic benefit is estimated by a life-cycle-cost analysis
Cheating Prevention in Peer-to-Peer-based Massively Multiuser Virtual Environments
No full textMassively multiuser virtual environments (MMVEs) have become an increasingly popular Internet application in recent years. Until now, they are all based on client/server technology. Due to its inherent lack of scalability, realizing MMVEs based on peer-to-peer technology has received a lot of interest. From the perspective of the operator, using peer-to-peer technology raises additional challenges: the lack of trust in peers and their unreliability. The simulation of the virtual environment is governed by certain rules specified by the operator. These rules state what actions can be taken by users in the virtual environment and how the state of the environment changes based on these actions. Since MMVEs are very often competitive environments, some people will cheat and try to break the rules to get an unfair advantage over others. Using a central server performing the simulation of the virtual environment, the operator can ensure only allowed actions can be performed and the state of the environment evolves according to the rules. In a peer-to-peer setting, the operator has no control over the peers so they might not behave as implemented by the operator. Furthermore, a central server is inherently more reliable than a peer which could fail at any time so data might be lost.
This thesis presents the design of a storage performing a distributed simulation of a virtual environment. It uses a deterministic event-based simulation to calculate the state of the virtual environment only based on the actions of its users. There are multiple replicated simulations using a voting mechanism to overcome the influence of malicious peers trying to tamper with the state of the environment as long as the number of malicious peers does not reach a critical threshold. Replication of data also ensures data is not lost when peers fail.
The storage is based on a peer-to-peer overlay allowing peers to exchange messages to store and retrieve data. It creates a Delaunay graph structure matching the way the data in the virtual environment is distributed among the peers. A self-stabilizing algorithm keeps the structure intact as peers join and leave the network. Additional routing tables allow peers to retrieve stored replicas independently on short, disjoint paths reducing the influence of malicious peers on the retrieval of data. A redundant filling algorithm prevents malicious peers from tampering with these routing tables to get more messages routed their way
Analysis of a 1060nm Vertical External Cavity Surface Emitting Laser
No full textIn dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Varianten eines optisch gepumpten vertical external cavity surface emitting laser’s (VECSEL) auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die VECSEL’s wurden bei OSRAM OPTO Semiconductor GmbH in Regensburg im Rahmen der Entwicklung eines frequenzverdoppelten grünen Laser für mobile Pico-Projektoren analysiert.
Um die optische Effizienz der VECSEL’s zu optimieren wurde die Wellenlänge des Pumplasers auf die RPG abgestimmt. Des Weiteren konnte durch den geringeren thermischen Wärmewiderstand eines Dünnfilm-VECSEL's die Abführung der Verlustleistung verbessert werden.In this thesis,the properties of different variants of an optically pumped vertical external cavity surface emitting laser's (VECSEL) were studied. The VECSEL's were analyzed at OSRAM Opto Semiconductor GmbH in Regensburg as part of the development of a frequency-doubled green laser for mobile pico projectors.
To optimize the optical efficiency of the VECSEL's the wavelength of the pump laser is adapted to the RPG.Furthermore, the dissipation of power loss could be improved by the lower thermal heat resistance of a thin film VECSEL's.
In the focus of the work was the investigation of the optical gain. For this purpose a new method has been used which is based on the measurement of the reflectivity of the VECSEL semiconductor chip
In depth analysis of obesity candidate genes in the chromosomal region 16p11.2 identified in genome-wide association studies
No full textDie Heritabilität der BMI-Varianz ist hoch. Durch große Genom-weite Assoziationsstudien wurden in der chromosomalen Region 16p11.2 zwei SNPs (rs7498665, rs7359397) identifiziert, die mit Adipositas assoziiert sind. In dieser Region befinden sich die Gene SH2B1, APOB48R und SULT1A2. SH2B1 ist ein solides Adipositas-Kandidatengen, da es ein wichtiger Vermittler der Leptin- und Insulinrezeptor-Aktivität ist und dabei mehrere nachgeschaltete Signalwege beeinflusst. Die Sh2b1 knockout Maus ist hyperphag und adipös, außerdem weist sie Hyperlipidemie, Leptinresistenz, Hyperglycämie, Insulinresistenz und Glukoseintoleranz auf. Der Makrophagenrezeptor APOB48R bindet Chymolmikrone, die Tryglycerid-reiche Lipoproteine enthalten, nach Aktivierung durch apoB48. Zusätzlich soll er Nahrungsfette und fettlösliche Vitamine für reticuloendotheliale Zellen bereitstellen. SULT1A2 könnte das Körpergewicht über die Regulation von Geschlechtshormonen wie Östrogenen und Androgenen beeinflussen. Viele Hormone werden von SULT1A2 sulfoniert.
In dieser Arbeit wurden die kodierenden Regionen der Gene SH2B1, APOB48R und SULT1A2 bei 95 extrem adipösen Kindern und Jugendlichen mit dHPLC und SSCP auf (seltene) Mutationen untersucht. Gefundene kodierende Varianten wurden in unabhängigen Studiengruppen von bis zu 11,406 adipösen und übergewichtigen Fällen und 4,568 normalgenwichtigen Kontrollen auf Assoziation zu Adipositas analysiert (RFLP, ARMS PCR, TaqMan SNP Genotypisierung, MALDI TOF). Der Einfluss zweier kodierender Varianten in SH2B1 (rs7498665 [Thr484Ala], βThr656Ile/γPro674Ser) auf STAT3-vermitteltes Leptinsignalling wurde in vitro untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss von häufigen kodierenden Varianten (rs7498665 und rs180743 [APOB48R Pro419Ala]) auf die Ergebnis einer einjährigen Lebensstil-Interventionsstudie (“Obeldicks”) bezüglich Gewichtsreduktion und anthropometrische Parameter analysiert.
Alle untersuchten Gene enthielten bekannte Varianten und neue Mutationen. Nur für häufige kodierende Varianten ließ sich Assoziation zu Adipositas nachweisen: SH2B1 (rs7498665 [Thr484Ala]; p=0.019, OR= 1.19) und APOB48R (rs180743 [Pro419Ala]; p=0.002, OR=1.17 und rs3833080 [Ala345_Gly346insdelAlaGlyThrAlaSerGlyGlyGluGluAlaGly]; p=0.003, OR= 1.25). Die SH2B1-Variante rs7498665 und die seltene Mutation βThr656Ile/γPro674Ser zeigten in vitro beide keinen Einfluss auf Leptinsignalling. Die Adipositas-Risikoallele der kodierenden SNPs in SH2B1 und APOB48R zeigten keinen Effekt auf Gewichtsverlust und verwandte Parameter wie Blutdruck, Blutfette und HOMA IR nach der einjährigen Lebensstil-Interventionsstudie, obwohl die übergewichtigen und adipösen Kinder insgesamt den BMI SDS reduzierten und andere Parameter verbesserten. Andere Gene in der Region (SULT1A1 und SULT1A2, TUFM) enthielten keine Varianten, die mit Adipositas assoziiert waren. Weitere funktionelle Studien zu den hier beschriebenen Varianten mit Adipositas-Assoziation wären von großem Interesse.Heritability of the variance of body weight is high. Large-scale meta-analyses of genome-wide association studies identified association to obesity of two SNPs (rs7498665, rs7359397) in the chromosomal region 16p11.2. The locus harbors the SH2B1 gene, the APOB48R gene and the SULT1A2 gene. SH2B1 is a solid candidate gene for obesity as it is an important mediator of leptin and insulin receptor activity and influences several downstream pathways that regulate energy homeostasis. Sh2b1 knockout mice show a phenotype of obesity, hyperlipidemia, leptin resistance, hyperphagia, hyperglycemia, insulin resistance and glucose intolerance. The macrophage receptor APOB48R binds to dietary triglyceride-rich lipoproteins after activation by APOB48 and is predicted to provide dietary lipids and lipid-soluble vitamins to reticuloendothelial cells. The effect of SULT1A2 on body weight regulation could be mediated by the regulation of sex hormones like estrogens and androgens which are metabolized as SULT1A2 substrates.
Here we screened the coding region of SH2B1, APOB48R and SULT1A2 via dHPLC and SSCP for (infrequent) mutations in 95 children and adolescents with early onset extreme obesity. Detected coding variants were tested for association (RFLP, ARMS PCR, TaqMan SNP genotyping, MALDI TOF) in independent large study groups of up to 11,406 obese and overweight cases versus 4,568 normal weight controls. For SH2B1, two coding variants (rs7498665 [Thr484Ala], βThr656Ile/γPro674Ser) were analyzed in vitro for their impact on STAT3 mediated leptin signalling. Additionally, the impact of common coding variants (rs7498665 and rs180743 [APOB48R Pro419Ala]) in both genes on the outcome of weight loss and several related parameters after a 1-year life style intervention study (“Obeldicks”) was investigated.
All genes contained known variants and new mutations. Association with obesity was detected only for frequent coding variants in SH2B1 (rs7498665 [Thr484Ala]; p=0.019, OR= 1.19) and APOB48R (rs180743 [Pro419Ala]; p=0.002, OR=1.17 and rs3833080 [Ala345_Gly346insdelAlaGlyThrAlaSerGlyGlyGluGluAlaGly]; p=0.003, OR= 1.25). The SH2B1 variant rs7498665 and the rare mutation βThr656Ile/γPro674Ser showed no functional impairment in in vitro functional analyzes of leptin signalling. Regarding weight loss and related parameters like blood pressure, blood lipids and HOMA IR, the obesity risk alleles of non-synonymous SNPs at SH2B1 and APOB48R had no effect in overweight and obese children after a 1-year lifestyle intervention, despite an overall BMI SDS reduction and improvement of other related parameters of the individuals. Other genes in the region (SULT1A1 and SULT1A2, TUFM) harbored no obesity associated variants. Additional functional studies on the obesity associated variants detected here are warranted
Untersuchungen zur ortsaufgelösten Zinkverteilung in Mammakarzinomen und der Korrelation zum Tumortyp und zu histologischen Prognosefaktoren
No full textDas essentielle Element Zink fungiert in annähernd 3000 Proteinen als katalytisch aktive oder strukturgebende Komponente und ist an vielen physiologisch bedeutsamen Reaktionen im humanen Organismus beteiligt [MARET 2009]. Des Weiteren wurden mehr als 2000 Transkriptionsfaktoren entdeckt, die an der Genexpression beteiligt sind und das Zink zur Ausbildung ihrer Struktur sowie zur Bindung an die DNA benötigen [PRASAD 1998].
Aufgrund seiner großen Abundanz im humanen Organismus wird seit den 1980-iger Jahren mittels analytische Methoden der Frage nachgegangen, ob und wenn ja, in welchem Ausmaß das Element einen Einfluss auf die Karzinogenes des Mammakarzinoms besitzt.
In diesem Zusammenhang fungiert das Zink in unterschiedlichen Proteinen. So schützt es, gebunden an einem Kofaktor der Superoxiddismutase (SOD), Zellen vor der Bildung freier Sauerstoffradikale, welche die Karzinogenese induzieren können. Außerdem wird es im p53 Tumorsuppressorgen für die Bindung an die DNA benötigt und besitzt eine strukturgebende Funktion.
Durch die Beschädigung der DNA oder anderen onkogenen Stresssignalen, aktiviert p53 die Transkription von Genen, die an der DNA-Reparatur, dem Telomer-Abbau oder der Apoptose beteiligt sind. Entscheidend für die Funktion dieser Proteine ist die zelluläre Zinkkonzentration, welche durch die Homöostase gesteuert wird. Eine zu niedrige oder zu hohe Zinkkonzentration führt zur Ausbildung einer inkorrekten Tertiärstruktur des p53 wodurch es seine biochemische Funktion vollständig verliert [LOH 2010].
Die analytischen Untersuchungen der Mammakarzinome in Bezug zur Zinkkonzentration erfolgten ausschließlich als Vergleichsmessungen zwischen dem Tumorgewebe und dem umliegenden krebszellenfreien Gewebe. Die Differenzierung dieser erfolgte mittels histopathologischer Untersuchung.
Bis zum heutigen Zeitpunkt wurden, nach Wissen des Autors, neben den Gesamtmetallanalysen lediglich drei ortsaufgelöste Untersuchungen durchgeführt, in denen die Messwerte mit den H&E gefärbten Gewebeschnitten korreliert wurden [FARQUHARSON et al. 2008, 2009; DA SILVA et al. 2012].
Die Ergebnisse der ausschließlich röntgenspektroskopischen Analysemethoden wiesen jedoch aufgrund unterschiedlicher Probenvorbereitungen und der Verwendung verschiedener Karzinomtypen enorme Variationen auf.
Das Ziel dieser Arbeit ist die ortsaufgelöste Bestimmung der Zinkkonzentration mittels LA-ICP-MS in klassifizierten Mammakarzinomen. Die Brustkrebsgewebe werden durch histologische und immunhistochemische Untersuchungen nach ihrer lobulären oder duktalen Differenzierung und dem histopathologischen Malignitätsgrad gruppiert. Anschließend soll eine Korrelationsanalyse der Elementkonturplots mit den H&E gefärbten Gewebeschnitten zeigen, ob in den Krebszellbereichen der unterschiedlichen Karzinome eine Erhöhung oder Erniedrigung der Zinkkonzentration zu verzeichnen ist.
Die eingesetzte massenspektrometrische Analysemethode wird zwar bereits seit etwa einem Jahrzenten zur ortsaufgelösten Elementdetektion in organischen Proben eingesetzt, findet jedoch erstmalig Anwendung in der Untersuchung von Mammakarzinomen. Des Weiteren ist zu erwähnen, dass durch die strukturierte Korrelationsanalyse mit den klassifizierten Mammakarzinomen neue Einblicke in die Karzinogese gewonnen werden können. Der gewählte Untersuchungsansatz ist bisher einmalig.
Zur Bestätigung der massenspektrometrisch ermittelten Messergebnisse wird als Komplementärmethode ein Röntgenfluoreszenzspektroskop für die Analyse der Parallelschnitte eingesetzt. Da die Anregung der Probe in Gegensatz zu bereits erfolgten ortsaufgelösten Elementdetektionen nicht mit Synchrotron- sondern mit Röntgenstrahlung erfolgt, wird diese Untersuchung als Machbarkeitsstudie betrachtet.
Außerdem soll, aufgrund der Vakanz einer kommerziell computergestützten Datenauswertung, eine eigenständig fungierende Software zur Auswertung der ortsaufgelösten Elementinformationen entwickelt und in den Routineprozess implementiert werden
Elemental speciation of Palladium, Platinum and Zinc by simultanous ESI-MS and ICP-MS detection after liquid chromatographic separation
No full textDie Elementspeziesanalytik ist eine Teildisziplin der Analytischen Chemie. Besonders die induktivgekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) gekoppelt mit chromatographischen Trennverfahren hat sich dabei zu einer Routinemethode in dieser Wissenschaftsdisziplin entwickelt.
In diesem Kontext konnte das Hauptziel der Arbeit, die Elementspeziation durch parallele Element- und Molekülmassenspektrometrie nach flüssigchromatographischer Trennung zu etablieren, erfolgreich abgeschlossen werden. Ebenso ist es gelungen, durch den Einsatz eines Membrandesolvators die Kopplungsapparatur „gradientenfähig“ zu machen.
Das aufgebaute System, welches hauptsächlich aus einem ICP-MS und einem hochauflösenden ESI-Massenspektrometer besteht, konnte erfolgreich beim Screening nach PGE-Spezies und der Zuordnung möglicher Platin- und Palladium-Proteinspezies mit Hilfe der Literatur und Proteindatenbanken angewendet werden. Eine definitive Identifizierung dieser Spezies aufgrund von proteolytischem Verdau und anschließender Identifizierung der Verdaupeptide mittels MS/MS hätte den zeitlichen Rahmen und den Umfang der vorliegenden Arbeit gesprengt, da eine aufwendige Fraktionierung mit mehrdimensionaler Chromatographie und anschließender Aufkonzentration der Spezies erfolgen müsste. Daher könnte dieser Vorgang in einer thematisch verwandten anschließenden Arbeit erfolgen.
Als Nebeneffekt des verwendeten Membrandesolvators konnte die Oxidbildungsrate des ICP-MS verringert werden, so dass der Großteil der Interferenzen auf Palladium und Platin in der ICP-MS ausgeblendet werden kann. Dadurch ist eine Quantifizierung der PGE im Ultraspurenbereich auch aus Realmatrices wie Umweltproben möglich, ohne vorab eine Matrixabtrennung durchzuführen, wie durch die Bestimmung von zertifiziertem Referenzmaterial belegt wurde. Dadurch steht mit dem ICP-MS ein robustes und sensitives Analysengerät zur Verfügung, welches ebenso erfolgreich in Anwendungen auf biologisch-medizinischen Bereichen eingesetzt werden konnte. Beispielsweise konnte der Einfluss von Metallen auf die Bildung von oxidativem Stress untersucht werden. Dazu wurde eine LC/MS basierte Methode zur Bestimmung des Gleichgewichts von oxidierten und reduzierten Glutathion entwickelt, die ohne Derivatisierung der Thiolgruppen auskommt. Weiterhin konnte mit Hilfe von Plasmiden demonstriert werden, inwieweit selbst essentielle Metalle wie Zink, die unter physiologischen Bedingungen nicht-redoxaktiv sind, dennoch zu einer Schädigung der DNA beitragen können.
Auch konnte die Struktur des potentiellen Zink-Glutathion-Komplexes durch mehrdimensionale Massenspektrometrie belegt und somit ein Mechanismus für den Metall-induzierten oxidativen Stress (nämlich die Blockierung der Thiolfunktion in „Scavenger“-Molekülen wie GSH) postuliert werden.Elemental speciation is a field in analytical chemistry. In particular inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) hyphenated to chromatography has become a common method in speciation.
Within this context, the goal of this work to establish a parallel online detection of elemental and molecular mass spectrometry after chromatographic separation of element species could be achieved. Additionally, by use of a membrane desolvation unit, the instrument was made capable of running gradient elution.
In detail the analytical system consists of an ICP-MS and a high resolving electrospray ionization mass spectrometer (ESI-MS). This setup was used to screen for platinum and palladium species followed by a metal protein assignment with the help of literature knowledge or database search. For a definitive identification enzymatic digestion followed by peptide elucidation should be performed. This approach should be performed in a subsequent work based on this thesis.
A positive side-effect of the membrane desolvation unit was the low oxide building rate in ICP-MS. So a significant amount of palladium and platinum interferences were avoided making the quantitative determination of these metals possible in complex sample matrices. The method was evaluated by the analysis of certified reference material.
Furthermore a LC/MS based method without derivatization for the investigation of the glutathione (GSH) equilibrium has been established. In addition the influence of the non-redox active metal zinc on DNA damage was shown with plasmid-GSH-assays under physiological conditions. Finally the structure of a possible zinc glutathione complex was elucidated by multidimensional mass spectrometry. This finding indicates the mechanism of metal induced oxidative stress, namely the blocking of free sulfhydryl groups (deactivation of scavenger function) in glutathione like molecules
Effizienter Support der DNA Replikationsfunktionen durch DNA Ligase 3 in Vertebraten
No full textDie Ergebnisse in dieser Arbeit zeigen eine bemerkenswerte und bisher unerwartete Flexibilität in der DNA Replikation zwischen DNA Ligase 1 (LIG1) und DNA Ligase 3 (LIG3) in Vertebraten. Während die Letalität des LIG3 Knock-outs ausschließlich in der mitochondrialen Funktion und nicht in einer essentiellen Funktion im Zellnukleus begründet liegt, wird eindeutig gezeigt, dass LIG3 die Funktion von LIG1 in der Replikation voll übernehmen kann und dass DNA Ligase 4 (LIG4) nicht dazu in der Lage ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eindeutig, dass die Zink-Finger-Domäne von LIG3 essentiell für die Funktion von LIG3 in der Replikation ist, obwohl sie nicht essentiell für das Aufrechterhalten der Integrität der Mitochondrien ist. Außerdem wird gezeigt, dass die BRCT Domäne, mit deren Hilfe LIG3 mit XRCC1 interagiert, ebenfalls essentiell für die Rolle von LIG3 in der Replikation ist. In Co-Lokalisations-Experimenten konnte gezeigt werden, dass LIG3 zu Replikationszentren rekrutiert wird, wenn die Aktivität von LIG1 beeinträchtigt ist und dass die Rekrutierung von PCNA in diesem Hintergrund schwächer ist. Die Ergebnisse weisen auf einen unterschiedlichen Rekrutierungsmechanismus von LIG3 zu Replikationszentren hin im Vergleich zu dem für die Rekrutierung von LIG1 benötigten. Auch konnten die Mutanten, die in dieser Arbeit verwendet wurden, weitergehend charakterisiert werden in Bezug auf ihre Fähigkeit, Zellzyklus Kontrollpunkte nach Induktion von DNA Schäden zu aktivieren. Apoptose verkompliziert die Analyse des S-Phase Kontrollpunkts, da für eine verlässliche Quantifizierung hohe Dosen Strahlung benötigen werden. Andererseits zeigen DT40 Zellen einen normalen G2 Kontrollpunkt, der unbeeinträchtigt von Ligase Knock-outs bleibt.The results show a remarkable and hitherto unexpected functional flexibility in DNA replication of LIG1 and LIG3 in vertebrates.
While the lethality of the LIG3 knockout is solely due to the mitochondrial function and not due to an essential function in the nucleus, it was conclusively shown that LIG3 can backup replication in the absence of LIG1 and that LIG4 is not capable to do so. The results in this thesis conclusively show that the ZnFn domain of LIG3 is essential for the DNA replication function of LIG3, although it is not essential for maintaining mitochondrial integrity. Furthermore, the BRCT domain with which LIG3 interacts with XRCC1 is also essential for the replication function of LIG3.
In colocalization experiments it could be shown that LIG3 is recruited to DNA replication sites when LIG1 activity is impaired, and that the recruitment of PCNA is weakened. The results, therefore, point to a different recruitment system of LIG3 to replication factories compared to the one required for LIG1 recruitment. Furthermore the mutants used were characterized with regard to their ability to activate checkpoint responses after induction of DNA damage. Apoptosis complicates analysis of the S-phase checkpoint which requires high doses of radiation for reliable quantification. On the other hand, DT40 cells display a normal G2 checkpoint that remains unaffected by ligase deletion