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Investigation of tempering processes and determination of heat recovery potentials in the field of barrel temperature control of plastic extruders
Get PDFDie Extrusion stellt eines der wichtigsten Verfahren zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen und Elastomeren dar. Im Fokus der Entwicklungen stehen die Durchsatzsteigerung von Hochleistungsmaschinen und gleichzeitig die Realisierbarkeit von breiten Einsatzspektren in Bezug auf Materialien und Betriebspunkte. Aufgrund von politischen Rahmenbedingen, die ambitionierte Klima- und Effizienzziele vorgeben sowie den energiewirtschaftlichen Entwicklungen, die zu stetig steigenden Energiekosten führen, nimmt die Bedeutung der Berücksichtigung einer Steigerung der Energieeffizienz in den Entwicklungen innerhalb der kunststoffverarbeitenden Industrie stetig zu.
Bereits in der Vergangenheit wurden weitgehende Fortschritte im Bereich der Optimierung von Anlagenkomponenten erzielt. Neben den Entwicklungen im Bereich der Extruderbauformen, hat sich besonders der Einsatz von energieeffizienter Antriebstechnik positiv auf die Prozesseffizienz ausgewirkt, da der Großteil der eingebrachten Energie durch die Dissipation von Antriebsenergie zugeführt wird. Die Optimierungspotentiale in diesem Bereich sind jedoch limitiert und wurden bereits weitgehend ausgeschöpft. Aus diesem Grund ergeben sich besonders im Bereich der Nutzung von im Prozess anfallender Abwärme Ansatzpunkte, um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen. Entlang des Extrusionsprozesses treten unterschiedliche Wärmeströme auf, die bisher nur unzureichend genutzt werden. Im Bereich der Produktkühlung, in dem die größten Wärmeströme abgeführt werden, existieren bereits Ansätze, die abgeführte Wärme beispielsweise für die Granulatvorwärmung oder betriebsinterne Wärmesenken zu nutzen. Eine anderweitige Nutzung wird jedoch erschwert, weil die Wärmeströme in diesem Bereich auf vergleichsweise geringem Temperaturniveau vorliegen. Da besonders bei hohen Anlagendurchsätzen auch im heißen Teil des Extrusionsprozesses signifikante Abwärmeströme auftreten, die bisher in der Regel ungenutzt an die Umgebung abgeführt werden, ist eine Betrachtung der möglichen Nutzungspotentiale dieser Wärmeströme zielführend.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf den in der Praxis eingesetzten Lösungen im Bereich der Zylindertemperierung basierendes Temperiersystem entwickelt, das eine erweiterte Prozessanalyse im Betrieb sowie die Evaluation einer prozessinternen Nutzung von anfallender überschüssiger Prozesswärme ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde ein entsprechendes Extrusionssystem, basierend auf einem flüssigtemperierten Einschneckenextruder ausgelegt und im Labormaßstab aufgebaut. Der mit einer Barriereschnecke betriebene Nutbuchsenextruder verfügt über einen modifizierten Zylinder, der mit integrierten Temperierkanälen ausgestattet ist. Diese Kanäle sind in Form von vier identischen Temperierzonen entlang des Plastifizierzylinders eingebracht und ermöglichen eine von herkömmlichen Heiz-/ Kühlkombinationen abweichende Temperierung mittels Wärmeträgeröl. Das zugehörige Temperiersystem stellt vier separate Temperierkreisläufe zur Verfügung, die für die einzelnen Zylinderzonen eine voneinander unabhängige Definition von Vorlauftemperaturen ermöglichen. Durch die vorhandene Messtechnik lassen sich die im Bereich der Temperierkanäle ausgetauschten Wärmeströme für alle Zonen erfassen. Die Bündelung von Abwärme in einem Medium auf hohem Temperaturniveau erlaubt eine Übertragung und Nutzung der aufgenommenen Energie. Da für die Beheizung und die Kühlung des Prozesses das gleiche Medium zum Einsatz kommt, wird eine Wärmerückgewinnung innerhalb des Prozesses grundsätzlich vereinfacht. Die Umsetzung der prozessinternen Übertragung von Wärme zwischen einzelnen Zylinderzonen wird durch die Entwicklung eines entsprechenden ventilgesteuerten Aufbaus zur Wärmeübertragung ermöglicht. Jeweils zwei Zonen lassen sich hiermit über einen Wärmeübertrager thermisch koppeln und mit Hilfe eines Stellventils gezielt entsprechend der vorliegenden Temperaturniveaus Wärme zwischen den Zonen übertragen.
Die mit dem Laborsystem durchgeführten Versuche sowie die anhand der vorliegenden Komponenten durchgeführten numerischen Strömungssimulationen geben einen Einblick in die sich einstellenden thermischen Austauschprozesse zwischen Zylinder und Prozess und erlauben Rückschlüsse auf die Einflüsse der Temperaturführung. In Abhängigkeit von zu definierenden Randbedingungen, wie zum Beispiel einer maximalen Schmelzetemperatur, lassen sich Anpassungen der Temperaturführung vornehmen, die zu einer Vermeidung unnötiger Kühl- und Heizvorgänge beitragen. Die Bestimmung der in den Temperierkanälen der einzelnen Zylinderzonen übertragenen Wärmeströme erlaubt, unter Berücksichtigung der vorliegenden Temperaturniveaus, außerdem eine Bewertung der potentiellen Nutzbarkeit von anfallenden Abwärmeströmen. Die Möglichkeit einer direkten Wärmerückgewinnung im Bereich des Plastifizierzylinders kann mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche nur bedingt bestätigt werden. Die auftretenden Wärmeströme werden durch die Prozessparameter sowie die verarbeiteten Materialien signifikant beeinflusst. Es treten zwar entsprechende Wärmeströme auf, aufgrund der vorliegenden Temperaturniveaus ist eine Übertragung innerhalb des betrachteten Prozesses jedoch nur in geringem Maße möglich. Der Ansatz der direkten Wärmerückgewinnung lässt sich allerdings auf beliebige Anlagen übertragen, sodass eine Anwendung auf anderen Einschneckenmaschinen, im Bereich von Compoundierprozessen auf Doppelschneckenextrudern oder zur Verknüpfung mehrerer Anlagen möglich ist.
Bei der Betrachtung einer Produktionsumgebung, in der mehrere Prozesse parallel ablaufen und verschiedene Materialen bei unterschiedlichen Prozessbedingungen verarbeitet werden, ergibt sich daher nichtsdestotrotz das Potential einer integrierten Temperierung verschiedener Extrusionslinien. Durch den Einsatz zentraler Heiz- und Kühlkreisläufe sowie einer individuell definierbaren Kopplung geeigneter Wärmequellen und -senken untereinander lässt sich der Gesamtenergieeintrag in ein solches System reduzieren. Die Verwendung globaler Kreisläufe erleichtert außerdem die weitere Nutzung von Abwärme, die nicht innerhalb der Anlagen verwertet werden kann. Denkbar ist hier beispielsweise die Nutzung zur Warmwasserversorgung innerhalb des Betriebes. Bei einer unvermeidbaren zusätzlichen Rückkühlung kann hier aufgrund von hohen verfügbaren Temperaurniveaus außerdem auf Freikühler zurückgegriffen werden, die eine energie- und kostensparende Abführung von Wärme ohne die unerwünschte Aufheizung der Produktionsumgebung ermöglichen.Extrusion is one of the most common technologies for the processing of thermoplastics and elastomers. The focus of the developments is the increase in throughput of high-performance machines and, at the same time, the realizability of broad application spectra with regard to materials and operating points. Due to political framework conditions that provide ambitious climate and efficiency targets as well as energy economic developments that lead to steadily rising energy costs, the importance of taking into account an increase in energy efficiency in the developments within the plastics processing industry is steadily increasing.
Extensive progress has already been made in the area of optimization of plant components in the past. In addition to developments in the area of extruder design principles, the use of energy-efficient drive technology has also had a positive effect on the efficiency of the process, since the majority of the energy input is supplied by the dissipation of drive energy. However, the optimization potentials in this area are largely exhausted, so that the utilization of waste heat generated in the process represents a promising approach to increase the energy efficiency. Alongside the extrusion process, different heat flows occur, which are so far only inadequately reused. In the area of product cooling, in which the largest heat flows are dissipated, there are already attempts to reuse the discharged energy. Granulate preheating or the supply of in-house heat sinks represent examples of this. However, another use is more difficult because the heat flows in this region are available at a comparatively low temperature level. Particularly in the case of high machine throughputs, significant waste heat flows occur in the hot part of the extrusion process. Because theses heat flows are so far generally discharged to the environment unused, the consideration of the potential utilization of this energy appears to be promising.
In scope of this work, a system based on the existing procedures in the field of cylinder temperature control was developed, which allows for an extended process analysis during operation as well as the evaluation of process internal use of excess process heat. For this purpose, a corresponding extrusion system, based on a liquid temperature controlled single-screw extruder, was designed and built in laboratory scale. The grooved-barrel extruder is operated with a barrier screw and has a modified cylinder, which is equipped with integrated temperature control ducts. These channels are positioned along the plasticizing cylinder in the form of four identical tempering zones and allow temperature control by means of heat transfer oil which differs from conventional electrical heating and cooling approaches. The associated temperature control system provides four separate temperature control circuits, which allow an independent definition of flow temperatures for the individual cylinder zones. Because of the implemented measuring technology, the heat flows exchanged in the area of the temperature control channels can be recorded for all zones. The bundling of waste heat in a medium at a high temperature level allows a transfer and utilization of the absorbed energy. Since the same medium is used for the heating and cooling of the process, heat recovery within the process is basically simplified. The implementation of the internal heat transfer between individual cylinder zones is made possible by the development of a corresponding valve-controlled heat transfer system. Two zones can be thermally coupled by a heat exchanger and heat can be transferred between the zones in a targeted manner according to the present temperature levels by means of a control valve.
The experiments carried out with the laboratory system as well as the numerical flow simulations carried out with the help of the available components provide an insight into the thermal exchange processes between the cylinder and the process. In addition, conclusions about the influence of temperature control can be drawn. Depending on the boundary conditions to be defined, such as a maximum melt temperature, it is possible to make adjustments to the temperature control, which help to avoid unnecessary cooling and heating processes. The determination of the heat flows transmitted in the temperature control channels of the individual cylinder zones also permits an assessment of the potential usability of the waste heat taking into account the temperature levels that are present. The possibility of a direct heat recovery in the area of the plasticizing cylinder can only be confirmed to a limited extend by the experiments carried out in the course of this work. The occurring heat flows are significantly influenced by the process parameters as well as the processed materials. Although corresponding heat flows occur, due to the present temperature levels, transmission within the examined process is only possible to a small extend. However, the approach can be transferred to any other plant so that an application is possible on other single-screw machines, in the area of compounding processes on twin-screw extruders or for linking several plants.
When considering a production environment in which several processes run parallel and different materials are processed under different process conditions, the potential for an integrated temperature control of different extrusion lines is obvious. The use of central heating and cooling circuits as well as an adaptable coupling of suitable heat sources and sinks to one another reduces the overall energy input into such a system. The use of global circuits also facilitates the further use of waste heat which cannot be utilized within the plants. Here, for example, the use of hot water supply within the plant is conceivable. In the case of an unavoidable additional recooling, a free-cooling system using outside air can also be applied here due to the high available temperature levels, which allow an energy- and cost-saving removal of heat without the undesirable heating of the production environment
Reverse regulation of bone and adipose tissue homeostasis through sphingosine-1-phosphate (S1P) / S1P receptor 2 signaling
No full textDas biologisch aktive Sphingolipid Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation vieler physiologischer Prozesse. Zunehmende Beachtung fand in den letzten Jahren die Rolle von S1P im Knochenstoffwechsel. In der hier vorgelegten Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine pharmakologische Inhibition oder induzierbare Deletion der S1P-Lyase in adulten Mäusen zu einem Anstieg des Knochenvolumens und, überraschenderweise, einer Reduktion des weißen Fettgewebes führte. Der Anstieg des Knochenvolumens lag zum einen in der Inhibition der Osteoklastenaktivität und -Differenzierung, deren Ursache in einer S1P-vermittelten Induktion der OPG-Expression und –Sekretion in Osteoblasten identifiziert wurde. Zum anderen war die Osteoblastenaktivität in diesen Modellen stimuliert, was sich in vitro in verstärkter Proliferation, Mineralisation und v.a. Differenzierung durch S1P Stimulation widerspiegelte. Bei beiden Mechanismen spielte der S1P2-Rezeptor eine entscheidende Rolle. Das wurde in vitro durch Experimente mit S1P2 Antagonisten und S1P2-defizienten Osteoblasten nachgewiesen und in vivo durch den Phänotyp von S1P2-Knockout Mäusen bestätigt.
Für die S1P-vermittelte Induktion der OPG-Genexpression wurden zwei unabhängige und zeitlich überlappende Signalwege identifiziert – eine unmittelbare Aktivierung der OPG-Genexpression über einen neuen p38 MAPK/GSK3β/β-Catenin-abhängigen Signalweg und eine später einsetzende, durch Wnt5a und Lrp5 vermittelte OPG-Induktion. Die kausale Beteiligung beider Wege wurde durch die Inhibition der OPG Produktion mittels p38 MAPK Blockade bzw. Wnt Inhibition gezeigt.
Gleichzeitig wurde für den S1P/S1P2 Signalweg eine Schlüsselrolle bei der Osteoblastendifferenzierung identifiziert: dieser beeinflusste nachhaltig die Entscheidung von Progenitorzellen zwischen Osteoblastogenese und Adipogenese zugunsten der Entstehung von Osteoblasten. Entscheidend war dabei die Wirkung von S1P auf die an diesem Prozess beteiligten Transkriptionsfaktoren: S1P induzierte einerseits den Osteoblasten-spezifischen Transkriptionsfaktor Osterix und supprimierte andererseits die adipogegenen Transkriptionsfaktoren PPARγ und C/ebpα. Beides ging mit gleichsinnigen Effekten auf die Expression ihrer nachgeschalteten Gene einher. Dass dem Einfluss von S1P auf PPARγ eine kausale Rolle dabei zukam, wurde durch die Aufhebung aller S1P-Effekte auf die Differenzierung durch den PPARγ-Agonisten Rosiglitazon nachgewiesen.
Diese in vitro nachgewiesene Wechselwirkung zwischen Osteo- und Adipogenese wurde in vivo durch den Phänotyp aller in dieser Arbeit untersuchten Modelle eindrücklich bestätigt: Inhibition oder Deletion der S1P-Lyase resultierte neben dem Anstieg des Knochenvolumens in einer Reduktion der Gesamtmasse des weißen Fettgewebes, eine reduzierte Adipozytengröße und die erniedrigte Expression Fettgewebs-spezifischer Gene. Umgekehrt, waren S1P2-KO Mäuse osteopenisch und adipös, und ihr Fettgewebe wies größere Adipozyten auf. Auch die Beteiligung von S1P2 an der konstitutiven Produktion von OPG in vivo wurde durch die erniedrigte OPG-Plasmakonzentration der S1P2-KO Mäuse belegt.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in klinischen Studien abdominelles Fett mit einer erniedrigten Knochenmasse im Menschen assoziiert ist und Adipositas positiv mit Osteoporose korreliert, könnten die hier erzielten Erkenntnisse neue Ansätze für Therapien dieser Erkrankungen bieten. In der Tat, konnte in der vorgelegten Arbeit gezeigt werden, dass S1P-Lyase-Inhibition in einem Tiermodell, bei dem Osteopenie mit Adipositas gekoppelt ist, erfolgreich therapeutisch genutzt werden kann. Ob sich Eingriffe in den S1P Metabolismus bzw. pharmakologische S1P2 Agonisten als Modulatoren der Knochen-Fettgewebshomöostase tatsächlich für die Therapie von Osteoporose und Fettsucht eignen, muss allerdings in weiteren etablierten und Krankheits-relevanten tierexperimentellen Modellen wie beispielsweise nach Ovarektomie und bei Leptin-Defizienz geprüft werden. Auch würden Studien mit Opg-defizienten Mäusen helfen, den Beitrag des OPG-abhängigen S1P-Effekts auf Osteoklasten von dem auf die Osteoblastendifferenzierung mechanistisch voneinander zu trennen.
Es bedarf viele weitere Untersuchungen, um ein besseres Verständnis für die komplexe Rolle von S1P im Knochen- und Fettstoffwechsel zu erlangen. Erst dann kann das volle Spektrum der Einsatzmöglichkeiten pharmakologischer Substanzen, die sich auf S1P und S1P-Rezeptoren konzentrieren, erfasst und ausgeschöpft werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Rolle von S1P in der Knochen- und Fettgewebshomöostase und eröffnen potentiell neue Blickwinkel für die Therapie menschlicher Erkrankungen.Sphingosine-1-phosphate is involved in bone metabolism but its precise role and potential use for therapeutic applications are unknown. In male human subjects, we observed that plasma S1P levels were positively associated with activity markers of enhanced bone turnover and negatively with bone mineral density, respectively. In search of potential therapeutic applications in adult mice, we raised S1P levels by conditionally deleting or pharmacologically inhibiting the S1P lyase and observed an impressive increase in bone mass that, surprisingly, was accompanied by striking reduction of adipose tissue. This was due to S1P receptor 2 signaling affecting fundamental osteoblast and osteoclast functions: S1P potently stimulated osteoblastogenesis at the expense of adipogenesis through osterix and PPAR, while simultaneously inhibiting osteoclast differentiation through increased osteoprotegerin production involving both the p38/GSK3/-catenin and non-canonical Wnt5a/Lrp5 pathways. Accordingly, S1P2-deficient mice were osteopenic and obese, whereas lyase inhibition prevented both the osteoporosis and obesity developing under high-fat diet in apolipoprotein E-deficient mice or in the absence of the leptin receptor. In humans, body mass index and leptin levels correlated with plasma S1P. Thus tonic and amplified S1P/S1P2 signaling reciprocally connects bone and adipose tissue homeostasis and represents an endogenous autoregulatory mechanism that could be exploited for novel therapeutic approaches to osteoporosis and obesity
GTSE1 reguliert Mikrotubuli-Stabilität in der Mitose durch Inhibierung der Mikrotubuli-Depolymerase MCAK
No full textDie Trennung der Chromosomen und die Stabilität des Genoms hängen von der zellulären Regulation der Mikrotubuli-Dynamik ab. Die präzise Regulation der Mikrotubuli-Dynamik während der Zellteilung ist essentiell um die Anheftung der Mikrotubuli an die Kinetochore zu gewährleisten. Sie ist Voraussetzung für die richtige Anordnung der Chromosomen, für die Korrektur von fehlerhaften Kinetochor-Mikrotubuli-Verbindungen sowie Bedingung für die richtige Verteilung der Chromosomen. In Krebszellen mit hyperstabilen Kinetochor-Mikrotubuli-Dynamiken treten häufiger Fehler bei der Verteilung der Chromosomen und eine erhöhte chromosomale Instabilität (CIN) auf.
In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass GTSE1, ein Protein, das in mehreren Krebszelllinien und Tumoren überexprimiert ist, Mikrotubuli stabiliert. Dies ist wiederum eine Voraussetzung für die richtige Anordnung und Verteilung der Chromosomen. GTSE1 bindet an Zentrosomen und Spindel-Mikrotubuli. Eine Reduktion des Proteinlevels von GTSE1 in Zellen führt zu einem Verlust der Astral-Mikrotubuli und einer verminderten Stabilität der Kinetochor-Mikrotubuli, wodurch Fehler bei der Orientierung der Spindel und der Anordnung der Chromosomen auftreten. GTSE1 hält die Stabilität der Mikrotubuli auf einem präzisen Level, indem es der Mikrotubuli-destabilisierenden Aktivität der Mikrotubuli-Depolymerase MCAK entgegenwirkt, als Voraussetzung für die richtige Orientierung der Spindel und die Anordnung der Chromosomen. Aufgereinigtes GTSE1 bindet in vitro direkt an MCAK und hemmt dessen Depolymeraseaktivität. Ferner wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass eine Reduktion der ungewöhnlich hohen GTSE1 Levels in den Krebszelllinien U2OS und Hela Kyoto, die eine hohe chromosomale Instabilität zeigen, die Häufigkeit der Fehlverteilung von Chromosomen senkt und dass dies in Abhängigkeit von MCAK geschieht. Im Gegensatz dazu bewirkt die künstliche Erhöhung der GTSE1 Levels in chromosomal stabilen Zelllinien eine vermehrte Fehlverteilung von Chromosomen und chromosomale Instabilität. Folglich kontrolliert GTSE1 die präzise Mikrotubuli-Dynamik indem es der Mikrotubuli-Depolymeraseaktivität von MCAK entgegenwirkt und fördert somit die Stabilität des Genoms. Dies ist Voraussetzung für die erfolgreiche Anordnung und Verteilung der Chromosomen.Chromosome segregation and genome stability are dependent on cellular regulation of microtubule (MT) dynamics. The precise regulation of MT dynamics during mitosis is essential to facilitate both kinetochore-microtubule (KT-MT) attachments, required for proper alignment of chromosomes, and error correction of KT-MT mal-attachments, required for accurate segregation of chromosomes. Increased chromosome segregation errors and elevated chromosomal instability (CIN) has been reported in cancer cells with hyper-stable KT-MT dynamics. In this thesis, we show that GTSE1, a protein found overexpressed in several cancer cell lines and tumours, stabilizes MTs required for proper chromosome alignment and chromosome segregation. GTSE1 associates with centrosomes, spindle MTs, and reducing GTSE1 protein levels in cells leads to a loss of astral MTs and a decrease in KT MT stability, which causes defects in spindle orientation and chromosome alignment, respectively. GTSE1 maintains precise levels of MT stability required for proper spindle orientation and chromosome alignment by antagonizing the MT-destabilizing activity of the MT depolymerase MCAK. GTSE1 antagonizes MCAK’s depolymerase activity in vitro, and these proteins directly interact in a phospho-dependent manner in cells and in vitro. We show that reducing the abnormally high levels of GTSE1 in the highly CIN U2OS and Hela Kyoto cancer cell lines reduces the frequency of chromosome mis-segregation events in a MCAK-dependent manner. Conversely, artificially elevating GTSE1 protein levels in chromosomally stable cell lines leads to an increase in chromosome missegregation and CIN. Thus, GTSE1 promotes genome stability by controlling the precise MT dynamics required for the efficient alignment and segregation of chromosomes through antagonizing MCAK’s MT depolymerase activity
Large eddy simulation of in-cylinder phenomena in spark ignition engines
No full textThe motivation for this thesis is the development of a simulation tool that can deliver spatially- and time-resolved information to better understand the highly unsteady and irregular flow motion and combustion inside spark ignition engines. The key element of the method is that the large eddies are directly solved on the computational grid and the smaller structures are modelled, i.e. large eddy simulation (LES). High order numerical schemes for an accurate solution are applied, which are still not state-of-the-art for most of the industrially relevant problems. The simulation tool is integrated into an existing open source software and is successfully validated against Particle Image Velocimetry (PIV) and Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) measurements of optically accessible research engines. A generic simulation workflow based on a mapping-strategy is proposed with a mesh-morphing strategy without topological changes in-between the mapping intervals. The simulation workflow includes an automated grid generation for complex engine geometries with inclined valves and the piston top-land crevice. It is applied to three different engine geometries.
A criterion is established for estimating the number of cycles needed in a simulation, if experimental data is available. A visualization strategy is developed and an analysis for the tumble flow based on auto-correlation coefficients is proposed, which allows quantify- ing the tumble break-down process. The tumble visualization and quantification methods are used to study the sensitivity of the turbulent flow field based on cold-flow multi-cycle simulations of two different cylinder-head geometries.
In a next step, the flow fields of the two different cylinder-head geometries are taken to study the flame propagation by a flame-surface-density modelling approach with different algebraic expressions for the flame wrinkling. Furthermore, fired multi-cycle simulations with internal exhaust gas recirculation are carried out and compared to Mie-scattering images of the flame propagation of the corresponding engine. Finally, undesirable combustion phenomena are studied, like the flame propagation into the piston top-land crevice, which is known as a source for unburnt hydrocarbons.
The developed tool opens the door for high resolution simulations of internal combustion engines.Ziel dieser Dissertation war die Erarbeitung eines Simulationsmodells, welches räumlich- und zeitaufgelöste Informationen in der Brennkammer eines Ottomotors zur Verfügung stellen kann. Dabei entstand ein Simulationswerkzeug, das in einer bereits vorhandenen, quellfreien Simulationssoftware integriert und erfolgreich mit diversen experimentellen Daten von optisch zugänglichen Motoren validiert werden konnte. Kernstück des Modells ist das direkte Auflösen der großskaligen Wirbel, sowie die gleichzeitige Modellierung kleinerer Wirbelstrukturen. Hierbei erfolgt die Modellierung unter Berücksichtigung der geforderten hohen Qualitätskriterien aus dem akademischen Bereich, wie bspw. die Nutzung von numerischen Diskretisierungsschemata höherer Ordnung. Die Simulationsergebnisse der Zylinderinnenströmung konnten erfolgreich mittels PIV (Particle Image Velocimetry) und MRV (Magnetic Resonance Velocimetry) Messungen an optischen Versuchsmotoren validiert werden.
Um einen vollständigen Motorenzyklus zu simulieren, wurde ein generischer Simulations- Workflow entwickelt. Hierzu wird der Motorenzyklus in Teilintervale zerlegt. Innerhalb der Intervalle werden die Rechengitter abhängig von der Kolben- und Ventilbewegung verzerrt. Das hierheraus resultierende Simulationsergebnis wird für ein neues Intervall auf ein neues unverzerrtes Rechennetz interpoliert. Diese Vorgehensweise wird solange wiederholt bis der gesamte Zyklus beendet ist. Die Erstellung der Rechengitter für die einzelnen Teilintervalle erfolgt automatisiert. Mittels dieser Simulationsstrategie konnten drei unterschiedliche Zylinderkopfgeometrien mit Zündkerzen und Feuerstegen erfolgreich simuliert werden.
Zur Quantifizierung des Tumblewirbelzerfalls wurde ein Kriterium basierend auf Autokorrelationsfunktionen des Strömungsfeldes erarbeitet. Zusätzlich wurde ein Kriterium für die erforderliche Anzahl der zu simulierenden Zyklen entwickelt. Mithilfe einer Visual- isierungsstrategie für den Tumblewirbel von nicht-reaktiven Mehrzyklen-Rechnungen konnten zwei unterschiedliche Zylinderkopfgeometrien im Detail analysiert werden. Im Weiteren erfolgte die Auswertung des Simulationsergebnisses respektive des Strömungsfeldes der zwei unterschiedlichen Zylinderkopfgeometrien. Hierzu wurde der Flame-Surface-Density (FSD) Ansatz unter Verwendung unterschiedlicher algebraischer Modelle zur Bestimmung der Flammenfaltung genutzt. Darüber hinaus wurden vollständige Mehrzyklen-Simulationen unter Berücksichtigung der inneren Abgasrückführung und des Restgasanteils aus den vorherigen Zyklen realisiert. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Mie- Streumessungen der Flammenausbreitung verglichen bzw. validiert. Abschließend erfolgte die Untersuchung der Flammenausbreitung in dem Feuersteg, welcher durch die ungewöhn- lich tief angeordneten Kolbenringe zu einem sehr großen Quetschspalt zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand führt. Diese geometrische Anordnung ist als eine der bekannten Ursachen für unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu sehen.
Die Implementierung des Simulationswerkzeugs in eine quellfreie Simulationsumgebung ermöglicht die Berechnung von ottomotorischen Verbrennungsprozessen auf Großrechnerarchitekturen
Towards Resilient Communities with Sustainable Development: Use of a Participative Dynamic Approach for Project Monitoring and Learning within the new Paradigm of the Sustainable Development Goals 2030
No full textProject planning, monitoring and evaluation of development have been carried out in past decades based mostly on the Log-frame, a well-known tool built up half a century ago to synthesize primarily the main elements of project planning and evaluation. Nevertheless, early this century experts of the field offered positive observations to improve the linear and top-down approach of the Log-frame. They underlined the complex, non-linear and dynamic contexts, where most communities live in developing countries and the need for innovation, participation and adaptation to improve with bottom-up approaches the wellbeing of those communities.
In particular the authors recommended new Programs of Theory or Theories of Changes and System Thinking as complementary areas.
New ways of planning, monitoring and learning were analyzed to support technical teams of local governments to respond to the challenges of the new paradigm 2030 and to be accountable with the participation and empowerment of their communities to achieve efficient solutions.
The dissertation proposes the use of a participative, numeric and dynamic approach for Project Planning Monitoring, Systematizing and Learning based on the theory of change Plan for Quality-Accountability-Transparency and the Outcome Mapping Log-frame-Tree responding to the requests of a Fusion Model.
Local teams will respond to the demands of their communities with appropriate project planning and implementation. Field teams and leaders will analyze the advances of indicators to learn with stakeholders thru continuous feedback and to report in an opportune frequency for management and stakeholders to make appropriate decisions together.
The method implemented five static and three dynamic databases in Excel in three stages of planning, field monitoring and executive monitoring and reporting. It helped the analysis and feedback including the Systematization Curves.
The process has been applied in three projects and the results were discussed and new challenges were proposed for strengthening local technical teams to insert disaster risk reduction into the regular planning of local governments and to keep learning in a rather constructivist capacity building program supported by the coordination with regional programs and national policies.In den vergangenen Jahrzehnten wurden Planung, Monitoring und Evaluation von Entwicklungsprojekten meistens mit dem bekannten Log-Rahmen Verfahren durchgeführt. Dieses Verfahren war vor fünfzig Jahren entwickelt worden, um in erster Linie die wesentlichen Elemente von Projektplanung und -evaluation zusammenzufügen.
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts haben Experten weitreichende Verbesserungen für die linearen Prozesse und den top-down Ansatz des bisherigen Verfahrens vorgeschlagen. . Sie haben vor allem die Prozesse in komplexen, nicht-linearen und dynamisch-emergenten Regionen hervorgehoben. Gerade in Entwicklungsländern kann in den betroffenen Orten und Regionen die Not nur mit Innovation, Beteiligung und Anpassung gemindert werden. d.h. mit Hilfe von bottom-up Ansätzen, die das Wohlbefinden der Gemeinden verbessern. Vor diesem Hintergrund entstanden neue Ansätze bzw. Theorien, in denen Veränderungen und Systemdenken als zwei ergänzende Bereiche im Vordergrund stehen.
Neue Wege wurden für Plannung, Monitoring und Lernen entwickelt, um die technische Teams lokaler Regierungen mit den Herausforderungen des neuen Paradigmas 2030 zu fördern und verantwortungsvoll effiziente Lösungen in die Entscheidungsprozesse zusammen mit den Gemeinden zu erzielen.
Diese Dissertation schlägt die Einführung einer partizipativen, numerischen und dynamischen Methode zum Plannen, Monitoring, und Lernen vor. Das Verfahren basiert auf der Veränderungstheorie der "Plan for Quality-Accountability-Transparency" sowie auf den Ergebnissen des "Outcome Mapping Log-frame-Tree" entsprechend den Anforderungen eines Fusions Modells.
Lokale Teams werden auf die Anforderungen ihres Ortes mit einer geeigneten Projektplanung und -durchführung antworten. Entscheidungsträger, die lokalen Behörden und Management werden in der Lage sein, Fortschritte der Indikatoren zu analysieren, mit Interessengruppen aus der kontinuierliche Rückkoppelung zu lernen und angemessenen Entscheidungen gemeinsam zu treffen.
Die Methode führt fünf statische und drei dynamische Databanken (excel) in drei Stufen zusammen: Planung, Monitoring und Executive Monitoring sowie Berichterstattung durch. Dieses unterstützt die Analyse und das Feedback einschließlich der Systematisierungskurven. Das Verfahren wurde in drei Projekten angewendet, die Ergebnisse wurden diskutiert, und neue Herausforderungen vorgeschlagen, um für lokale technische Teams das Katastrophenrisiko zu reduzieren. In regulären Planungsprozessen lokaler Regierungen lässt sich dieses einfügen und ermöglicht konstruktiv den Kapazitätsaufbau, unterstützt und koordiniert darüberhinaus regionale Programme und nationalen Politik
Wie können erwachsene Bezugspersonen entwicklungsförderliche Bedingungen für Kinder herstellen? Ist das Essener Schülerhilfeprojekt geeignet, um die verschiedenen Facetten des kindlichen Selbstkonzepts zu stärken?
No full textZusammenfassung
Das zentrale Thema meiner Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, mit welchen Verhaltensweisen erwachsene Bezugspersonen von Kindern die verschiedenen Facetten des kindlichen Selbstkonzepts stärken und wie sie entwicklungsförderliche Bedingungen durch ihre Beziehungsgestaltung für das Kind schaffen können. Konkret stehen in der vorliegenden Arbeit Kinder im Fokus, die im Rahmen des Essener Schülerhilfeprojekts über einen Zeitraum von einem Jahr und mindestens 40 Treffen einmal in der Woche für wenigstens zwei bis drei Stunden in den Genuss einer exklusiven Einzelbetreuung durch Studierende der Universität Duisburg-Essen gekommen sind. Die Studierenden hospitieren an einer von drei Essener Partnerschulen und bekommen von den Klassenlehrer/-innen Kinder vorgeschlagen, die für die Teilnahme an dem Projekt als geeignet erachtet werden. Während des Projektjahres werden die Studierenden durch 14-tägige Kleingruppentreffen, deren Teilnahme verbindlich ist, betreut und bekommen so die Möglichkeit, schwierige Situationen zu besprechen und Unterstützung in einem professionalisierten Rahmen zu erfahren.
Das Projekt endet nach einem Jahr, was von Außenstehenden oftmals kritisch betrachtet wird. Allerdings werden die Kinder auf das Ende der regelmäßigen Treffen vorbereitet und einige Paten/-innen melden sich zu besonderen Anlässen wie dem Geburtstag des Kindes oder Weihnachten weiterhin bei ihrem Patenkind. In Einzelfällen wäre ein kompletter Abbruch des Kontakts seitens der Studierenden nach dem offiziellen Projektende tatsächlich nicht zu verantworten, beispielsweise wenn die Interaktionserfahrungen des Kindes durch Enttäuschungen, Unzuverlässigkeit und endende Beziehungen geprägt wären. Solche Aspekte der Patenschaften werden ebenfalls in den Kleingruppensitzungen unter professioneller Anleitung mit den Studierenden thematisiert.
Im Fokus meines Forschungsvorhabens stehen nicht mögliche messbare Wirkungen des Patenschaftsprojekts, da diese bereits von Steins (2011) evaluiert wurden. Ich prüfe, welche Faktoren sich positiv auf die Entwicklung der Kinder auswirken. Ungeklärt ist bis dato, ob die vertrauensvolle Beziehung, die sich im Idealfall zwischen Pate/-in und Kind entwickelt, wirkt oder sich neue Erfahrungen, die die Kinder im Rahmen des Projekts machen können, entwicklungsförderlich auswirken oder aber weitere unbekannte Faktoren. So lauten die zentralen Fragestellungen meiner Arbeit:
Wie können erwachsene Bezugspersonen entwicklungsförderliche Bedingungen für Kinder herstellen? Ist das Essener Schülerhilfeprojekt geeignet, um die verschiedenen Facetten des kindlichen Selbstkonzepts zu stärken?
Um Antworten auf diese Fragen zu finden, habe ich 16 Kinder, deren offizielles Projektende ein, drei, fünf oder sechs Jahre zurücklag, mit Hilfe eines Leitfadens entweder in der Schule oder in den Räumlichkeiten des Kinderschutzbundes in Essen interviewt. 12 Paten/-innen, die das Projekt ebenfalls seit mindestens einem Jahr offiziell beendet hatten, interviewte ich zu 13 Patenschaften in der Universität oder zu Hause; sechs Paten/-innen füllten einen Fragebogen zu sieben Patenschaften aus. Ich habe mich für eine qualtitative Studie mittels eines Leitfadeninterviews entschieden, um ein Grundgerüst für die Befragungen und somit auch für die anschließende Auswertung zu erhalten, aber dennoch auf individuelle Aspekte oder von mir nicht vorhergesehende Themen eingehen zu können.
Für die Gewinnung und Auswertung meiner Daten habe ich eine spezielle Form eines sogenannten Mixed-Methods Designs genutzt (Kuckartz 2012, 2014). Für die Auswertung meiner Interviews nutzte ich nach der Transkription das „Ablaufschema der inhaltlich strukturierenden qualitativen Inhaltsanalyse (Kuckartz 2012, S.111; Kuckartz 2014, S.78) und codierte die Transkripte mit der Software MAXQDA.
Die wichtigsten Ergebnisse meiner Forschung werden hier zusammengefasst: Das Schülerhilfeprojekt erscheint in besonderem Maße geeignet, um die verschiedenen Facetten des kindlichen Selbstkonzepts zu stärken. Das Setting des Projekts ist hier ein wesentlicher Faktor. Durch die wöchentlichen Treffen der Kinder mit einer festen Bezugsperson über den Zeitraum von einem Jahr kommen die Kinder in den Genuss einer hohen ungeteilten Aufmerksamkeit einer erwachsenen Bezugsperson, die so nicht alltäglich ist und nicht vielen Kindern zuteil wird. Auch wenn dieser Fokus für manche Kinder zunächst ungewohnt war und Verunsicherungen hervorrief, konnten sich alle Kinder auf diese Zuwendung einlassen. So wundert es nicht, dass als wesentliche Faktoren, die zu einer positiven Entwicklung der Kinder und dem Aufbau einer vertrauensvollen Beziehung beigetragen haben, Aufmerksamkeit und Zuwendung genannt wurden. Zudem wurden Verlässlichkeit, Struktur und Ordnung sowie neue Erlebnisse der Kinder mit dem Schwerpunkt auf der Beziehungsgestaltung als positive Entwicklungsfaktoren und Wegbereiter für eine vertrauensvolle Beziehung in den Interviews genannt. Ich spreche in meiner Arbeit somit von drei Säulen positiver Entwicklungsfaktoren.
Die erste Säule – Aufmerksamkeit und Zuwendung – wird durch das Setting des Projekts begünstigt. Der Interaktionsstil der von mir interviewten Studierenden ist als dem Kind zugewandt zu beschreiben. In den Kleingruppensitzungen konnten eventuelle Schwierigkeiten in der Interaktion mit dem Patenkind besprochen werden. Kinder, die bereits negative Interaktionserfahrungen gesammelt haben, reagieren auf die Zuwendung der Paten/-inen möglicherweise ablehnend. Hier gilt es zu vermeiden, dass die Studierenden frustriert reagieren und möglicherweise nicht mehr zugewandt bleiben und auch ablehnend reagieren, damit dem Kind die Chance erhalten bleibt, seinen Interaktionsstil positiv zu verändern.
Durch die exklusive Einzelbetreuung bietet sich den Studierenden die Möglichkeit, direkt auf die kindlichen Bedürfnisse einzugehen. Dies stellt einen wesentlichen Faktor für den Aufbau einer vertrauensvollen Beziehung und den Aufbau von Bindung dar. Alle Kinder konnten sich im Laufe des Projekts auf diese Zuwendung einlassen: 75% der Kinder berichteten ihren Paten/-innen von Schwierigkeiten. Vier Kinder hätten ihre Probleme anvertraut, wenn sie welche gehabt hätten und je zwei Kinder vertrauten den Studierenden manchmal oder nie sie bewegenden Probleme an, konnten jedoch keinen Grund dafür nennen.
Betrachten wir die zweite Säule – Verlässlichkeit, Struktur und Ordnung näher. Alle Kinder schätzten ihre Paten/-innen als zuverlässig ein und waren sicher, dass diese zu den vereinbarten Treffen erscheinen würden oder rechtzeitig absagen, wenn eine Verschiebung notwendig sein sollte. Kinder, die an dem Projekt teilnehmen, haben Unzuverlässigkeit oftmals als festen Bestandteil ihres Alltagserlebens erfahren, Zurückweisungen und negative Bindungserfahrungen erleben und leere Verprechungen seitens wichtiger Bindungspersonen erfahren müssen. Auch strukturieren viele Familien der teilnehmenden Kinder ihren Tagesablauf nicht. Während der Treffen mit den Studierenden herrscht eine hohe Transparenz über die Treffen und Regeln und Abläufe werden besprochen. Auch hier können die Kinder von ihrer Alltagswelt abweichende Erfahrungen sammeln. Da zu einer Struktur der Treffen auch Regeln gehören, sahen sich die Studierenden zuweilen mit der Schwierigkeit konfrontiert, die Einhaltung der vereinbarten Regeln von den Kindern einzufordern. Hier wurden sie dahingehend in den Kleingruppentreffen beraten. Blicken wir in die Erziehungsstilforschung wird deutlich, dass eine Kombination aus Anforderungen an das Kind auf der einen Seite und Unterstützung und Verständnis für die Bedürfnisse auf der anderen Seite (autoritativer Erziehungsstil) für die Entwicklung eines Kindes am förderlichsten ist (Baumrind 1971, 1975, 1989; Maccoby 1980, 2000; Schmidtchen 1993, 1997).
Alle befragten Kinder freuten sich auf die Treffen und erfuhren Unterstützung in verschiedenen Lebensbereichen. Sie erhielten zum Teil Strukturen und Ratschläge, die von 56,25% der Kinder auch nach dem offiziellen Projektende noch befolgt wurden und die Studierenden wurden zum Teil als Vorbilder betrachtet. Die Kinder, die noch in regelmäßigem (25%) Kontakt, der von beiden Seiten gehalten wird, stehen oder in regelmäßigen, von den Studierenden gehaltenen (37,5%) Kontakt zu ihren Paten/-innen stehen, sind sich sicher, sich im Falle von Schwierigkeiten an sie wenden zu können. Auch während des Projekts herrschte bei allen Kindern das gute Gefühl, eine/-n verlässliche/-n Ansprechpartner/-in gefunden zu haben.
Die dritte Säule – Neue Erfahrungen mit Schwerpunkt auf dem Beziehungsaspekt – beinhaltet im Rahmen des Schülerhilfeprojekts ausdrücklich nicht eine Aneinanderreihung kostspieliger Ausflüge. Vielmehr steht die gemeinsame Zeit im Vordergrund, in der beispielsweise auch durch einen Parkbesuch neue Erfahrungen gesammelt werden können. Alle Kinder berichteten von neuen Erlebnissen mit den Studierenden. Zuweilen wurden sogar Ängste oder Hemmungen überwunden. So sind positive Treffen verknüpft mit neuen Erlebnissen, bei denen die Kinder ihren Erfahrungshorizont erweitern können, eine bedeutende Komponente für die Beziehungsbildung.
Die Studierenden berichten in diesem Kontext von positiven Veränderungen ihrer Patenkinder sowohl im emotionalen als auch im sozialen Bereich. Konkret schätzten die Studierenden ihre Patenkinder als offener und fröhlicher (41,17%) als zu Beginn der Patenschaft ein. Sie schafften es im Laufe der Patenschaft sich auf Unternehmungen einzulassen und sich auch in der Schule in Gesprächskreisen zu beteiligen, da die Kinder nun etwas zu erzählen haben. Die Kinder fanden einen besseren Kontakt zu ihren Mitschüler/-innen und sieben Studierende äußerten, dass sich die positiven Veränderungen im emotionalen Bereich ihrere Patenkinder auch auf das Sozialverhalten auswirkten. Sechs Kinder enzwickelten ein größeres Selbstbewusstsein, vier Kinder wirkten ausgeglichener und zwei Kinder schätzen sich selbst mehr wert. Ob diese positiven Veränderungen auch nach dem Projektende bestehen bleiben, hängt nach Einschätzungen der Studierenden stark vom Umfeld ab, jedoch konnten die Kinder von der Alltagswelt abweichende Erfahrungen sammeln und ihren Blickwinkel erweitern.
Bei einem Großteil der Kinder, die am Schülerhilfeprojekt teilnehmen, sind in einem oder mehreren Bereichen der drei Säulen positiver Entwicklungsfaktoren Defizite festzustellen. Die Studierenden konnten an diese Punkte anknüpfen und den Kindern von ihren Alltagserfahrungen zum Teil gravierend abweichende Erfahrungen ermöglichen. Dies ist aus Sicht der Selbstkonzeptforschung bedeutend, da zahlreiche vom generellen Selbstkonzept abweichende Erfahrungen notwendig sind, um dieses zu verändern.
Die Ergebnisse werden in der Arbeit entlang der drei als Säulen bezeichneten Themen auf die Situation des Grundschulunterrichts übertragen.
Ein eventuell als kritisch zu wertender Aspekt meiner Ergebnisse stellt die Tatsache dar, dass sich durchweg Paten/-innen für die Interviews bereit erklärt haben, bei denen die Patenschaft zum größten Teil positiv verlaufen ist. Auch ein Student, welcher in seiner ersten Patenschaft nicht vollends zufrieden war, nahm negative Aspekte als Anlass zur Weiterentwicklung und versuchte seine zweite Patenschaft anders zu gestalten. Die Studierenden stellten durchweg eine positive Entwicklung bei ihren Patenkindern fest und konnten entwicklungsförderliche Bedingungen während der Treffen herstellen und überdies eine vertrauensvolle Beziehung zu ihrem Kind entwickeln. Die Paten/-innen gaben sehr detailiert und reflektiert Auskunft über die Zeit der Patenschaft und waren in der Lage, konkrete Faktoren zu nennen, die zu einer positiven Entwicklung der Kinder geführt und sich günstig auf den Aufbau einer vertrauensvollen Beziehung ausgewirkt haben. Interessant wäre es demnach, Studierende zu interviewen, die den Verlauf der Patenschaft als negativ empfunden haben und nach eigener Einschätzung eventuell keine entwicklungsförderlichen Bedingungen oder eine vertrauensvolle Beziehung zu ihrem Patenkind herstellen konnten. Hier wäre zu prüfen, welche Faktoren verhindert haben, eine Beziehung zu dem Kind oder entwicklungsförderliche Bedingungen für das Kind herzustellen. Zudem wäre es wichtig zu erfahren, welche weiteren Unterstützungsangebote für die Studierenden notwendig gewesen wären, um diese Aspekte zu begünstigen.
Für die Weiterarbeit oder folgende Forschungsprojekte erscheint es mir, neben eben genannter Thematik, ebenfalls interessant zu evaluieren, inwiefern die herausgearbeiteten Implikationen für Grundschullehrer/-innen im Alltag umsetzbar sind. Das Setting ist zweifelsohne ein anderes als im Schülerhilfeprojekt. Überdies wäre bei der Umsetzung der Handlunsgvorschläge eine Dokumentation und Auswertung der Beziehungsbildung zu den Kindern wichtig. Auch könnten Erkenntnisse über die Entwicklung der Kinder im emotionalen und sozialen Bereich und des Selbstkonzepts gewonnen werden. Zudem wären Auswirkungen auf das Sozialgefüge der Klasse, das Klassenklima, der Lernbereitschaft der Kinder interessant zu evaluieren. Möglicherweise im Vergleich zu einer anderen Klasse, in der die Lehrkraft nicht ausdrücklich den Fokus auf das Schaffen entwicklungsförderlicher Bedingungen und den Aufbau einer vertrauensvollen Beziehung legt
Untersuchung der heterogenen Reaktionen von SO2 und NO2 mit mineralischen Oberflächen
No full textIn der vorliegenden Arbeit wurden die heterogenen Reaktionen der atmosphärischen Spurengase Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoffdioxid (NO2) mit Saharastaub und Eisen(III)oxid, als Modellsubstanzen atmosphärischer mineralischer Partikel untersucht.
Die initialen Aufnahmekoeffizienten, ein wichtiger Parameter für atmosphärische Modellstudien, der untersuchten heterogenen Reaktionen, wurden in einer Knudsen-Zelle unter gepulsten Gaseinlassbedingungen ermittelt. Die gemessenen initialen Aufnahme-koeffizienten sind sowohl unabhängig von der Probenmasse und Konzentration in der Gasphase, als auch unabhängig von der Reaktionstemperatur auf der Probenoberfläche. Eine Abhängigkeit des initialen Aufnahmekoeffizienten zeigt sich, wenn die zu untersuchenden Proben bei unterschiedlichen Temperaturen unter Vakuum getrocknet werden.
Um den zeitlichen Verlauf der Aufnahme der Gasmoleküle an der Probenoberfläche zu verfolgen, wurden die heterogenen Reaktionen unter kontinuierlichen Gaseinlass-bedingungen in einer Knudsen-Zelle und die Bildung von Produkten in der Gasphase untersucht. Für die maximale Anzahl an adsorbierten SO2-Moleküle auf der -Fe2O3-Oberfläche ergab sich ein Grenzwert von Nads,ges = (2,7 ± 0,6) • 1018 Moleküle/g. Der Anteil an desorbierenden SO2-Molekülen beträgt (3,6 ± 0,7)%. Diese relativ geringe Ausbeute an desorbierten SO2-Molekülen lässt auf einen irreversiblen Prozess der Aufnahme von SO2-Molekülen auf die -Fe2O3-Oberfläche schließen.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die heterogene Reaktion aus Adsorption an freien reaktiven Oberflächenplätzen auf der Probenoberfläche und Diffusion in tiefere Probenschichten besteht. Beide Geschwindigkeitskonstanten wurden durch eine mono- bzw. biexponentielle Anpassung der Messungen ermittelt. Für die -Fe2O3-Proben, die bei 298 K getrocknet wurden, ergab sich eine Reaktionsgeschwindigkeitskonstante für die Adsorption von k1 = (1,4 ± 0,7) • 10-14 cm3s-1, und für die -Fe2O3-Proben, die bei 550 K getrocknet wurden ergab sich ein Wert von k1 = (7,0 ± 0,3) • 10-15 cm3s-1. Für die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten der Diffusion ergab sich ein Wert von k2 = (2,2 ± 0,5) • 10-15 cm3s-1. Diese ist unabhängig von der Trocknungstemperatur der -Fe2O3-Proben.
Für die Ausbeute von Wasser in der Gasphase ergab sich für die -Fe2O3-Proben, die 20 Stunden bei Zimmertemperatur (T = 298 K) getrocknet wurden, ein Wert von 95 ± 5%. Dass bedeutet, dass pro adsorbiertes SO2-Molekül auf der -Fe2O3-Oberfläche ein H2O-Molekül in die Gasphase freigesetzt wird. Die reaktiven freien Oberflächenplätze sind mit H2O-Molekülen belegt, und es findet eine Substitution der Wassermoleküle mit den SO2-Molekülen statt. Bei den -Fe2O3-Proben, die drei Stunden bei 550 K unter Vakuum getrocknet wurden, ist die Wasser Ausbeute viel geringer und beträgt 26 ± 3%.
Durch ionenchromatographische Analysen der reagierten Proben konnte eine Korrelation der aus der Gasphase verbrauchten Moleküle mit den auf der Oberfläche nachgewiesenen Molekülen erstellt werden. Dabei zeigte sich, dass die nachgewiesenen Sulfat-Ionen nicht als primäres Reaktionsprodukt auf der -Fe2O3-Oberfläche gebildet werden. Eher stellen stark adsorbierte SO2-Moleküle oder SO32--Ionen die primären Produkte dar, welche durch die Probenvorbereitung für die ionenchromatographische Analyse zu Sulfat-Ionen weiter reagieren. Um zu klären, inwieweit die Sulfit- und Sulfat-Ionen auf der -Fe2O3-Oberfläche während der Reaktion mit den SO2-Molekülen oder erst beim Lösen in Wasser entstehen, wurde die Reaktion von SO2 mit -Fe2O3 mit Hilfe der DRIFT-Spektroskopie untersucht.
Durch die Aufnahme von DRIFT-Spektren konnten die während der Reaktion auf der Oberfläche gebildeten Moleküle qualitativ identifiziert werden.
Während der kontinuierlichen Zufuhr von SO2 in die Reaktionszelle wurden adsorbierte SO2-Molekülen auf der -Fe2O3-Oberfläche beobachtet. Während der Reaktion von SO2 mit -Fe2O3 wurde die Bildung von Sulfat auf der -Fe2O3-Oberfläche erst bei Reaktionstemperaturen oberhalb von 550 K beobachtet. Dieses Ergebnis zeigt, dass bei der Untersuchung der Reaktion von SO2 mit -Fe2O3 in der Knudsen-Zelle bei Zimmer-temperatur (T = 298 K) kein Sulfat auf der -Fe2O3-Oberfläche während der Reaktion gebildet wird. Während der Reaktion von SO2 mit -Fe2O3 bildet sich nur stark adsorbiertes SO2 und Sulfit auf der -Fe2O3-Oberfläche. Erst wenn die -Fe2O3-Proben zur Analyse im Ionenchromatographen in Wasser gelöst werden, werden die adsorbierten SO2-Moleküle zu Sulfat aufoxidiert.
Aus den vorgenannten Ergebnissen wurde ein detailierter Reaktionsmechanismus formuliert.
Eine Abschätzung der chemischen Bedeutung für die Chemie in der Atmosphäre der untersuchten heterogenen Reaktionen hat ergeben, dass die Reaktionen von SO2 und NO2 auf Mineralstaub auf globaler Ebene eine wichtige Senke darstellen und in Boxmodellen zur Simulation der Atmosphäre berücksichtigt werden müssen
Molecular-genetic analysis on the GWAS-based candidate obesity gene TUFM (Tu translation elongation factor mitochondrial gene) in extremely obese children and adolescents
No full textGenetischen Faktoren wird eine große Rolle in der Entstehung von Übergewicht und Adipositas zugeschrieben. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Kandidatengen für Adipositas auf das Vorliegen von Mutationen zu überprüfen, die eine Assoziation mit erhöhtem Körpergewicht zulassen. Die Auswahl des Kandidatengens erfolgte aufgrund einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS), deren Ergebnisse als Grundlage für die Auswahl des Kandidatengens dienten.
Als Kandidat wurde das Tu translation elongation factor mitochondrial gene (TUFM) ausgewählt, da es bei einer genomweiten Assoziationsstudie als mögliches, assoziiertes Gen in der chromosomalen Region 16p11.2 in Frage kam. Wir führten ein Mutationsscreening mit anschließender Genotypisierung an einer Gruppe von insgesamt 95 extrem adipösen Kindern und Jugendlichen durch, die für einen bestimmten Genotyp angereichert war, und verglichen die Ergebnisse mit einer Normalpopulation.
Bei diesem Screening des Gens TUFM hinsichtlich einer Relevanz für die Ausprägung von Adipositas im Kindes- und Jugendalter wurden im Rahmen dieser Arbeit die Exons 3,4,5,6,7,8 und 9 betrachtet. Mehrere Exons wurden zum Screening in Fragmente zusammengelegt, so dass auch z.T. intronische Bereiche betrachtet wurden. Das Mutationsscreening fand mittels Einzelstrangkonformationsanalyse (SSCP) und denaturierender Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (dHPLC) statt, die sich anschließende Genotypisierung erfolgte mittels allelspezifischer PCR (ARMS-PCR) und Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP). Innerhalb der betrachteten Fragmente fanden sich drei bereits beschriebene single-nucleotid-polymorphismen (SNPs), die alle im intronischen Bereich liegen. Als Vergleichsgruppe diente eine erwachsene europäische Normalpopulation des „1000 genomes Projects“. Es zeigten sich im Vergleich beider Gruppen deutlich Unterschiede in der Mittleren Allelfrequenz (MAF). Ausreichende Schlüsse für die Relevanz an der Entstehung von Adipositas lassen sich jedoch nur eingeschränkt ziehen, da die untersuchte Gruppe für einen bestimmten Genotyp angereichert war.Genetic factors play a major role in the development of overweight and obesity. The aim of this study was to examine a candidate gene for obesity for mutations, which allow an association with increased body weight. The candidate gene was selected on the basis of a genome-wide association study (GWAS).
The Tu translation elongation factor mitochondrial gene (TUFM) was chosen as candidate because it was associated with obesity in the chromosomal region 16p11.2. We performed mutation screening with subsequent genotyping on a group of a total of 95 extremely obese children and adolescents enriched for a particular genotype and compared the results with a normal population.
In this study the exons 3,4,5,6,7,8 and 9 of TUFM were screened with regard to a relevance for the expression of obesity in childhood and adolescence. Several exons were put together in fragments for screening so that some Intronic areas were also screened. The mutation screening was performed by single-strand conformational analysis (SSCP) and denaturing high-pressure liquid chromatography (dHPLC), followed by genotyping using allele-specific PCR (ARMS-PCR) and restriction fragment length polymorphism (RFLP). Within the fragments, three already described single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were found, all in the intronic range. As comparative group served an adult European standard population of the "1000 genomes Project". Comparing both groups, differences in the mean allele frequency (MAF) were visible. However, sufficient conclusions regarding the relevance to the development of obesity can only be drawn to a limited extent, since the investigated group was enriched for a particular genotype
Rationelles Design und biomedizinische Anwendung von multifunktionalen Goldnanopartikel-Biokonjugaten
No full textGoldnanopartikel-Biokonjugate stellen ein weit verbreitetes Werkzeug für biologische Anwendungen dar. Jedes biologische System und die damit verbundene Anwendung wie die medizinische Diagnostik, Therapie oder auch die biologische Bildgebung beruhen auf unterschiedlichen Faktoren, welche die experimentellen Rahmenbedingungen festlegen. Auch das Design der zu verwendenden Nanopartikel-Konjugate muss an die Anwendung angepasst werden. Oft sind mehrere Funktionen wie das Eindringen in die Zelle, der gezielte Transport von Funktionsmolekülen oder eine gezielte Nanopartikelansammlung notwendig. Hierbei sind lasergenerierte Goldnanopartikel von Vorteil. Sie haben eine ligandenfreie Oberfläche und potentiell toxische Substanzen, wie sie in der chemischen Synthese eingesetzt werden, können ausgeschlossen werden. Weiterhin begünstigt dies eine hohe Oberflächenbeladung, was insbesondere für multifunktionale Nanopartikel vorteilhaft ist.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss von verschiedenen Liganden wie Oligonukleotiden, zellpenetrierenden Peptiden und Liponsäure auf monofunktionalen und multifunktionalen Goldnanopartikeln untersucht. Hierbei konnten optimale Bedingungen zur Herstellung monomodaler, monodisperser Goldnanopartikel, welche als ligandenfreie Plattform für die Biokonjugation dienen, ermittelt werden. Darüber hinaus wurden charakteristische Parameter bezüglich der Stabilität und Oberflächenbeladung der Konjugate analysiert, welche im weiteren Verlauf zum Design spezifischer Konjugate genutzt wurden.
Schließlich erfolgte der Einsatz der hergestellten Konjugate, welche als Einzelpartikel oder Agglomerat vorlagen, in biologische Anwendungen mit Rinderspermien, regulatorischen T-Zellen und Krebszellen. Hierbei wurde die Anlagerung und Penetration von Goldnanopartikeln auf und in Spermien erfolgreich gezeigt. Des Weiteren erfolgte das erfolgreiche Einbringen eines Funktionsmoleküls in T-Zellen und die gezielte laserinduzierte Freisetzung von Einzelpartikeln, welche als Agglomerat eingesetzt wurden, in das Zytoplasma von Krebszellen.Gold nanoparticle bioconjugates are a wide spread tool for biological applications like medical diagnostic, therapy or bioimaging. Biological systems are based on various parameters which influence the experimental conditions. Hence, the design of nanoparticle bioconjugates has to be assessed according to the bioapplication. Aspects like cell penetration, drug delivery or selective nanoparticle accumulation need to be achieved. For this purpose, laser-generated gold nanoparticles are advantageous due to a ligand-free surface and no potentially toxic ligands which are used during chemical synthesis. Additionally, a higher surface coverage can be achieved with these nanoparticles possessing an optimal platform for multifunctional conjugates.
In this study, the influence of different ligands like oligonucleotides, cell penetrating peptides or lipoic acid on monofunctional and multifunctional conjugates was investigated. In this context, ideal conditions regarding synthesis of monomodal and monodisperse gold nanoparticles were determined. These particles were meant to be used as a ligand-free platform for bioconjugation. Furthermore, characteristic parameters concerning stability and surface coverage of the conjugates were carried out. Based on these parameters a specific design for gold nanobioconjugates was established.
Finally, the conjugates were used as single particles and agglomerates during biological experiments with bovine sperm, murine regulatory T cells and cancer cells. The attachment and penetration of gold nanoparticles on and into sperm was shown to be successful in this study. Additionally, the transport of functional molecules into regulatory T cells was achieved. The targeted release into the cytoplasm of a cancer cell of single nanoparticles which were applied before as agglomerates was aimed as well
Inclusion in school social work
No full textAusgehend von einem vielfaltsorientierten Inklusionsverständnis zeigt die vorliegende Arbeit auf, dass Inklusion im Arbeitsfeld Schulsozialarbeit nicht nur gemäß der UN-Behindertenkonvention als Recht von Menschen mit Behinderung auf Teilhabe und Bildung an Regelschulen auslegt wird, sondern:
1. ein Prozess ist.
2. sich mit der Identifizierung und Beseitigung von Barrieren beschäftigt.
3. Präsenz, Teilhabe und den Erfolg aller Schülerinnen und Schüler anstrebt.
4. sich insbesondere auf Gruppen von Lernenden bezieht, die von gesellschaftlicher Marginalisierung, sozialem Ausschuss und Schulversagen bedroht sind. (vgl. Deutsche UNESCO-Kommission e.V. 2009:8ff; Lindmeier 2010:197)
Diese Inklusionsdeutung hat folgende zwei Konsequenzen für die erfolgreiche Bewältigung der Inklusionsanforderung in der Schulsozialarbeit:
1. Schulsozialarbeit an Schulen etablieren und dabei die Verschränkung von Schul- und Jugendhilfelogik in Strukturen, Prozessen, Entscheidungen der jeweiligen Schule für die rechtzeitige und passgenaue Unterstützung von Schülerinnen und Schülern zielgerichtet gestalten.
2. Heranwachsende durch Interventionen und Maßnahmen nicht nur für Schulprozesse und –anforderungen zu stärken, sondern auch für die Anforderungen ihrer Lebenswelt und der anderen für sie relevanten gesellschaftlichen Bereiche tüchtig zu machen.
Die Förderung der (politischen) Beteiligung von Einheimischen und Zugewanderten erweist sich durch gezielte Prozesse, Beteiligungsmöglichkeiten, Strukturen und passgenaue Informationsgestaltung als wesentlichen Bestandteil einer inklusionsorientierten Schulsozialarbeit. Durch systemische Steuerung werden Begegnungen und Auseinandersetzungen bzw. Interaktionen mit dem Anderen (mit oder ohne Beeinträchtigung, trotz kultureller, sozialer, psychischer und physischer Verschiedenheit) auf allen relevanten Schul- und Gesellschaftsebenen bzw. -bereichen Inbegriff gelingender Inklusionsarbeit.
Die Art und Weise wie diese Auffassung von Inklusion in der Schulsozialarbeit umgesetzt wird, ergeht aus einer sequentiellen Kombination unterschiedlicher Forschungsmethoden anhand dieses Werkes. Das genannte Inklusionsverständnis wird auf alltagspraktische Deutungs- bzw. Handlungsmuster heruntergebrochen, die sich in der qualitativen Untersuchung herauskristallisiert haben ebenso wie damit verbundene Parameter der Inklusionsbewältigung. Anhand festgelegter Messkriterien werden diese Ergebnisse in der quantitativen Analysephase auf ihre tatsächliche Relevanz und Umsetzung im Praxisalltag von Schulsozialarbeitenden getestet.
In diesem Zusammenhang geben Rückmeldungen zum Geleisteten sowie die Bewertung und Überprüfung des Erreichten im Verhältnis zum Erzielten Hinweise auf Erfolge und mögliche Verbesserungspotenziale. Denn je nach Zielgruppe und damit verbundene Deutungsmuster von Inklusion werden unterschiedliche Instrumente und Herangehensweisen umgesetzt. So wird für das Verständnis von Inklusion als Etablierung von Schulsozialarbeit an Schulen beispielsweise auf Öffentlichkeitsarbeit und Lobbyismus in Form von Arbeitsgemeinschaften für Schulsozialarbeit zurückgegriffen.
Diese zielgruppenspezifische inklusive Herangehensweise der Schulsozialarbeit hat das Potenzial, sowohl den unterschiedlichen Beteiligten mit ihren jeweiligen Beitrag und Nutzen zu verdeutlichen, als auch den für die Schulsozialarbeit ihnen gegenüber anfallenden Aufgaben. Und zwar auf institutioneller, programmatischer und individueller Ebene, wie auch die Notwendigkeit der aktiven politischen Beteiligung von Schulsozialarbeitenden, um auf politischer Ebene die für ihre Inklusionsarbeit förderlichen Rahmenbedingungen ausbauen zu können. Inklusionsarbeit ist für die Schulsozialarbeit somit auch politische Arbeit – auch im Sinne der Demokratisierung von jungen Menschen.
Bei der Umsetzung von Inklusion durch Schulsozialarbeit treten zwar verschiedene Schwierigkeiten und Begrenzungen auf, wie etwa unzureichende Ressourcen in der Gestaltung der Erziehungspartnerschaft zwischen Elternhaus und Schule und im Management zu hoher Fallaufkommen. Aber an der tatsächlichen Mitwirkung von ursprünglich skeptischen Zielpersonen der Schulsozialarbeit gegenüber beispielsweise oder am erfolgreichen Schulverlauf und den konkreten beruflichen Perspektiven unterstützter Schülerinnen und Schülern ist zu erkennen, dass die Anforderung der Inklusion tatsächlich bewältigt wird.
Die vorliegende Arbeit reiht sich somit nicht nur in die Debatte um Inklusion in der deutschen Gesellschaft bzw. in der Sozialen Arbeit ein und zeigt auf, dass Inklusion integraler Bestandteil der Schulsozialarbeit ist, sondern tangiert auch den Fach-diskurs um die Kooperation unterschiedlicher Professionen zum Zwecke der Förde-rung der Entwicklung von Heranwachsenden. Die interprofessionelle Zusammenarbeit stellt sich dabei als wesentlichen Faktor für den Erfolg von Inklusionsbemühungen der Schulsozialarbeitenden heraus. Grundlage dafür ist das Verständnis von Gesellschaft als Gefüge interdependenter Bereiche, deren Akteurinnen und Akteure miteinander interagieren sollen, damit Inklusion als Vision einer Gesellschaft in der, jedes Mitglied die Beteiligungsmöglichkeiten, die für ihn geeignet sind, erhält, erfolgreich umgesetzt werden kann. Auch bietet diese Forschung Anlass für weiterführende Analysen, weil die Befragten eigene ergänzende Sinndeutungen von Inklusion über die vom Fragebogen vorgegebenen Deutungsmuster hinaus angegeben haben. Daran können weitere Forschungen ebenso anknüpfen, wie auch an die hier bereits dargestellten Argumentationsstränge, die zahlreiche Anhaltspunkte für die Qualitätsentwicklung im Arbeitsfeld Schulsozialarbeit bieten.
Zuletzt ist an dieser Stelle summarisch zu notieren, dass die erfolgreiche Bewälti-gung der Inklusionsanforderung durch Schulsozialarbeit sich am besten an den folgenden sechs Punkten orientieren soll:
1. Von welcher Inklusionsdeutung ist die Rede?
2. Welche Vorgehensweisen werden für ihre Realisierung umgesetzt?
3. Welche Ergebnisse erzielen diese Herangehensweisen?
4. Welche Wechselwirkungen ergeben sich zwischen dem umgesetzten Vor-gehen und den Ergebnissen?
5. Was erweist sich dabei als bewährt und was soll ansonsten verbessert werden?
6. Welche Maßnahmen werden wie und mit wem wann umgesetzt, um die angestrebten Verbesserungen bzw. die anvisierte Inklusionsdeutung zu realisieren?Starting from a diversity oriented inclusion understanding shows the present dissertation on, that inclusion in the working field school social work is interpreted not only in accordance with the UN Disability Convention as a right of people with disabilities to participation and education like in mainstream schools, but as:
1. A process.
2. Dealing with the identification and removal of barriers.
3. Presence, participation and the success of all students seeking
4. Including in particular groups of learners who are at risk of social marginalization, social committee and school failure (cf. German Commission for UNESCO 2009, p. 8ff.; Lindmeier 2010, p. 197)
This inclusion interpretation has the following two consequences for the successful management of the inclusion requirement in the work field school social work:
1. Establish school social work at schools and thereby make the interconnection of school logic and youth welfare logic in structures, processes, decisions of the respective school for the timely, tailor-made and targeted support of students.
2. To strengthen adolescents through interventions and actions not only for school processes and requirements, but also for the needs of their living environment and of relevant other sectors of society for them.
Promoting the (political) participation of local people and immigrants through specific processes, investment opportunities, structures and precise information design implements an essential component of an inclusion oriented school social work. Then this systemic control leads interactions with others (with or without disabilities, despite cultural, social, psychological and physical diversity) at all relevant educa-tional and social levels to successful inclusion work.
The way in which this notion of inclusion is implemented in the school social work has been found out through a sequential combination of different research methods in this dissertation. The inclusion understanding is broken down into practical interpretive or behavioral patterns that have emerged in the qualitative research as well as related parameters of inclusion coping. Based on defined measurement criteria, these results has been tested in the quantitative analysis on their actual relevance and implementation in daily practice of school social workers.
In this context, feedback on work done as well as the assessment and verification of achievements give in relationship to the achieved success evidence of potential improvements out. Because depending on the target audience and related interpretation patterns of inclusion different instruments and approaches will be implemented. For the understanding of inclusion as establishment of school social work at schools for example, public relations and lobbyism in the form of working groups for school social work are done.
This targeted approach of inclusion in school social work has the potential to clarify various stakeholders with their respective contributions and benefits, as well as the necessary tasks of school social work towards them. This can be shown at the insti-tutional, programmatic and individual level, as well as the need of active political participation of school social workers in order to perform their working conditions. As consequence implementing inclusion means for school social work thus political work - also in terms of the democratization of young people.
In the implementation of inclusion through school social workers indeed occur various difficulties and limitations, such as insufficient resources in the design of the educational partnership between home and school or such as insufficient staff in the management of excessive caseload. But on the participation of originally skeptical target people in interventions of school social work for example , or on success-ful school history and the concrete job prospects of supported students can be seen that the requirement of inclusion is been successfully managed.
The present study is not only been classify in the debate about inclusion in the german society or in social work and demonstrates that inclusion is integrate in school social work , but it also affects the professional discourse to the cooperation of various professions for the purpose of promoting the development of adolescents . Then the inter-professional collaboration is emphasized here as an essential factor for the success of inclusion efforts of school social workers. This is based on the understanding of society as a structure of interdependent areas whose actors should interact so that inclusion as a vision of a society in which each member receives participation opportunities that are suitable for him, can be successfully implemented.
This research provides also an opportunity for further analysis because the re-spondents indicated their own complementary interpretations of inclusion beyond the meanings given on the questionnaire. Those interpretations can also build further research, as well as the lines of argumentation already illustrated here, which offer various indications to the quality development for the work field school social work.
At least it is summarily to note that the successful management of inclusion request by school social work is best to adhere by responding the following six questions:
1. From which interpretation of speech meaning inclusion is been talking about?
2. Which procedures are implemented for their realization?
3. What results achieving these approaches?
4. Which relations arise between the implemented actions and their results?
5. What might be good or ought to be improved?
6. Which steps are how and with whom when implemented in order to realize the desired improvements or the targeted interpretation of speech