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On the relevance of hydraulic layer resistances in the fouling of salt-retaining membranes under special consideration of coupling effects
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Messkonzept vorgestellt, mit dem es möglich ist, den hydraulischen Durchströmungswiderstand von kolloidalen Foulingschichten zu ermitteln, die sich bei der membrangestützten Wasser-Entsalzung an der feedseitigen Oberfläche der Membran bilden. Die dabei zum Einsatz kommende Dead-End-Filtrationsapparatur ist so konzipiert, dass die Schichtbildung unter hydrodynamisch wohl definierten Filtrationsbedingungen erfolgt. So ist die Erzeugung kolloidaler Foulingschichten von beliebiger Zusammensetzung und Masse sowie unterschiedlicher Schichtstruktur möglich. Durch kontinuierliche Messung des Transmembrandruckes kann jeder erzeugten Schicht ein hydraulischer Widerstand quantitativ zugeordnet werden. Ebenso können osmotische Effekte, die im Zusammenhang mit der Salzrückhaltung der verwendeten Membranen auftreten, verlässlich quantifiziert und bei der Auswertung der Messergebnisse entsprechend berücksichtigt werden. Für Foulingschichten, die bei praxisüblichen operativen Bedingungen gebildet wurden, werden so (beladungs-)spezifische hydraulische Widerstände von bis zu 1x10^15 m/kg (kolloidal-partikuläre Deckschichten) bzw. 1x10^16 m/kg (makromolekulare Alginatdeckschichten) nachgewiesen. Widerstände dieser Größenordnung erscheinen insbesondere bei der Entsalzung von Rohwässern mit geringem bis mittlerem Salzgehalt von hoher Relevanz zu sein. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen weiterhin, dass auf der Darcy-Beziehung basierende Widerstandsmodelle prinzipiell auf monodisperse kolloidale Schichten anwendbar sind. Bei sehr dünnen Schichten (mit verhältnismäßig geringem hydraulischen Widerstand) ist jedoch ein, bei dichten Membranen, bisher nicht wissenschaftlich beschriebener partikelgrößenabhängiger Oberflächeneffekt zu berücksichtigen, der den Widerstand der unmittelbar an die Membran angrenzenden Partikelschichten (vermutlich verursacht durch eine Inaktivierung der Membranoberfläche durch aufliegende Kolloide) überproportional erhöhen kann. Es wird auch gezeigt, dass der hydraulische Widerstand kolloidaler Foulingschichten weitaus stärker von der Partikelgröße abhängig ist, als dies klassische, für makroskopische Systeme entwickelte, Widerstandsmodelle, wie die Kozeny-Carman-Gleichung, vermuten lassen. Es werden mögliche Ursachen für dieses Phänomen aufgeführt und eine entsprechende Modellanpassung vorgeschlagen. Weiterhin scheint der Widerstand bidisperser kolloidaler Schichten in beträchtlichem Umfang von der Partikelgrößenverteilung innerhalb der Schicht abhängig zu sein, die wiederum maßgeblich von der zeitlichen Abfolge bei der Anfiltration der Partikelgrößen bestimmt wird. Bezüglich des Einflusses der Feed-Salzkonzentration wird gezeigt, dass der hydraulische Widerstand kolloidaler Foulingschichten stark ansteigt, wenn während der Schichtbildung eine erhöhte Salzkonzentration (Ionenstärke) vorliegt. Dieser Effekt ist vermutlich auf eine Beeinflussung des makroskopischen Schichtaufbaus zurückzuführen, die zum Großteil irreversibel zu sein scheint. Die möglichen Ursachen für diese Beeinflussung sowie der Ursachen für die weitaus geringere reversible Widerstandsveränderung, die durch eine Variation des Feed-Salzgehaltes hervorgerufen wird, werden diskutiert und ihre Plausibilität unter Berücksichtigung der vorliegenden Filtrationsumstände bewertet. Darüber hinaus wird ein bisher nicht wissenschaftlich beschriebener Kopplungsmechanismus als Ursache für den reversiblen Ionenstärke-Einfluss vorgeschlagen, der auf der Wechselwirkung zwischen Konzentrationspolarisation und der Membraninaktivierung durch aufliegende Foulantpartikel beruht.In the present thesis a new measuring concept for the determination of the hydraulic flow resistance of colloidal fouling layers on the feed-site surface of water desalination membranes is introduced. The therefor used dead-end filtration apparatus is specifically designed to generate fouling layers under hydrodynamic well-defined filtration conditions.
As a result colloidal fouling layers of any composition and mass as well as of different layer structure are possible. By continuously measuring the transmembrane pressure, the hydraulic resistance can be quantitatively assigned to each produced layer. Likewise, osmotic effects occurring with the salt retention of the membranes can be reliably quantified and correspondingly taken into account in the evaluation of the measured results. For fouling layers, formed under practical operating conditions, specific hydraulic resistances of up to 1x10^15 m/kg (colloidal-particulate layers) or 1x10^16 m/kg (macromolecular alginate layers) are detected. Resistances of this magnitude appear to be particularly relevant in the desalination of feed waters with low to medium salt content.
The performed investigations also show that resistance models based on the Darcy-law can in principle be applied to monodisperse colloid layers. In the case of very thin layers (with relatively low hydraulic resistance), however, a particle size-dependent surface effect, which has not previously been scientifically described in the case of dense membranes, has to be taken into account. Presumably caused by inactivation of the membrane surface by colloids with direct membrane contact, this effect disproportionately increases the resistance of the particle layers directly adjoining the membrane.
It is also shown that the hydraulic resistance of colloidal fouling layers is much more dependent on the particle size than conventional resistance models developed for macroscopic systems, such as the Kozeny-Carman equation, suggest. Possible causes for this phenomenon are listed and a corresponding model adaptation proposed. Furthermore, the resistance of bidisperse colloidal layers appears to be significantly depending on the particle size distribution within the layer, which in turn is decisively determined by the temporal filtration sequence of the particle sizes.
Concerning the influence of the feed salt concentration, it is shown that the hydraulic resistance of colloidal fouling layers increases strongly if an increased salt concentration (ionic strength) is present during the layer formation. This effect is presumably due to an influence on the macroscopic layer structure, which seems largely irreversible. The possible causes for this influence as well as the causes for the far lower reversible resistance change caused by a variation of the feed salt content are discussed and their plausibility is evaluated taking into account the existing filtration conditions. In addition, a coupling mechanism, which has hitherto not been scientifically described, is proposed as the cause of the reversible ionic strength influence. This mechanism is based on the interaction between concentration polarization and the membrane inactivation by fouling particles in direct contact with the membrane
Contribution Barriers to Open Source Projects
No full textContribution barriers are properties of Free/Libre and Open Source Software (FLOSS) projects that may prevent newcomers from contributing. Contribution barriers can be seen as forces that oppose the motivations of newcomers. While there is extensive research on the motivation of FLOSS developers, little is known about contribution barriers. However, a steady influx of new developers is connected to the success of a FLOSS project.
The first part of this thesis adds two surveys to the existing research that target contribution barriers and motivations of newcomers. The first exploratory survey provides the indications to formulate research hypotheses for the second main survey with 117 responses from newcomers in the two FLOSS projects Mozilla and GNOME. The results lead to an assessment of the importance of the identified contribution barriers and to a new model of the joining process that allows the identification of subgroups of newcomers affected by specific contribution barriers.
The second part of the thesis uses the pattern concept to externalize knowledge about techniques lowering contribution barriers. This includes a complete categorization of the existing work on FLOSS patterns and the first empirical evaluation of these FLOSS patterns and their relationships. The thesis contains six FLOSS patterns that lower specific important contribution barriers identified in the surveys.
Wikis are web-based systems that allow its users to modify the wiki's contents. They found on wiki principles with which they minimize contribution barriers. The last part of the thesis explores whether a wiki, whose content is usually natural text, can also be used for software development. Such a Wiki Development Environment (WikiDE) must fulfill the requirements of both an Integrated Development Environment (IDE) and a wiki. The simultaneous compliance of both sets of requirements imposes special challenges. The thesis describes an adapted contribution process supported by an architecture concept that solves these challenges. Two components of a WikiDE are discussed in detail. Each of them helps to lower a contribution barrier. A Proof of Concept (PoC) realization demonstrates the feasibility of the concept
Two-Stage Stochastic Semidefinite Programming: Theory, Algorithms, and Application to AC Power Flow under Uncertainty
No full textIn real life decision problems, one almost always is confronted with uncertainty and risk. For practical optimization problems this is manifested by unknown parameters within the input data, or, an inexact knowledge about the system description itself. In case the uncertain problem data is governed by a known probability distribution, stochastic programming offers a variety of models hedging against uncertainty and risk. Most widely employed are two-stage models, who admit a recourse structure: The first-stage decisions are taken before the random event occurs. After its outcome, a recourse (second-stage) action is made, often but not always understood as some "compensation''.
In the present thesis, the optimization problems that involve parameters which are not known with certainty are semidefinite programming problems. The constraint sets of these optimization problems are given by intersections of the cone of symmetric, positive semidefinite matrices with either affine or more general equations. Objective functions, formally, may be fairly general, although they often are linear as in the present thesis.
We consider risk neutral and risk averse two-stage stochastic semidefinite programs with continuous and mixed-integer recourse, respectively. For these stochastic optimization problems we analyze their structure, derive solution methods relying on decomposition, and finally apply our results to unit commitment in alternating current (AC) power systems.
Furthermore, deterministic unit commitment in AC power transmission systems is addressed. Beside traditional unit commitment constraints, the physics of power flow are included. To gain globally optimal solutions a recent semidefinite programming (SDP) approach is used which leads to large-scale semidefinite programs with discrete variables on top. As even the SDP relaxation of these programs is too large for being handled in an all-at-once manner by general SDP solvers, it requires an efficient and reliable method to tackle them. To this end, an algorithm based on Benders decomposition is proposed.
With power demand (load) and in-feed from renewables serving as sources of uncertainty, two-stage stochastic programs are set up heading for unit commitment schedules which are both cost-effective and robust with respect to data perturbations. The impact of different, risk neutral and risk averse, stochastic criteria on the shapes of the optimal stochastic solutions will be examined. To tackle the resulting two-stage programs, we propose to approximate AC power flow by semidefinite relaxations. This leads to two-stage stochastic mixed-integer semidefinite programs having a special structure. To solve the latter, the L-shaped method and dual decomposition have been applied and compared.Betrachtet man reale Entscheidungsprobleme, die also der Wirklichkeit entstammen, so ist man fast immer mit Unsicherheiten und Risiken konfrontiert. Für konkrete Optimierungsprobleme äußert sich dies sowohl in Form von ungewissen Parametern in den Eingangsdaten, als auch durch eine unzureichende Kenntnis über die Systembeschreibung selbst. Handelt es sich um zufallsbehaftete Eingangsdaten, dessen Verteilung bekannt ist, so stellt die Stochastische Optimierung eine Vielzahl von Modellen bereit - allesamt mit dem Ziel sich gegen Unsicherheiten und Risiken abzusichern. Die am Häufigsten verwendeten stochastischen Modelle sind zweistufige Modelle. Diese gestatten folgende Kompensationsstrategie: Eine Erststufenentscheidung wird getroffen bevor das Zufallsereignis eintritt. Nach Realisierung des Zufalls können Korrekturmaßnahmen (zweite Stufe) ergriffen werden, welche häufig, aber nicht immer, als "Kompensation" verstanden werden.
Die vorliegende Arbeit behandelt Semidefinite Programme, dessen Parameter nicht mit Sicherheit bekannt sind. Der Zulässigkeitsbereich dieser Optimierungsprobleme entsteht aus dem Durchschnitt affiner oder auch allgemeinerer Gleichungen mit dem Kegel der symmetrisch und positiv semidefiniten Matrizen. Die Zielfunktion kann relativ allgemein sein, wird aber häufig, wie es auch in dieser Arbeit der Fall ist, als linear angenommen.
Es werden risikoneutrale und risikoaverse zweistufige stochastische semidefinite Optimierungsprobleme mit jeweils stetiger und gemischt-ganzzahliger Kompensation betrachtet. Wir analysieren die Struktur dieser stochastischen Optimierungsprobleme, leiten dekompositionsbasierte Lösungsverfahren her und wenden unsere Resultate auf das Problem der optimalen Kraftwerkseinsatzplanung in
Wechselstromnetzen an.
Ferner beschäftigt sich diese Arbeit mit der deterministischen Kraftwerkseinsatzplanung in Wechselstromnetzen. Neben den traditionellen technischen Bedingungen an die einzelnen Kraftwerke wird auch die Physik des Wechselstroms berücksichtigt. Um global optimale Lösungen zu erhalten wird eine auf Semidefinite Programmierung (SDP) basierende Lösungsstrategie benutzt. Dieser Ansatz resultiert in einem umfangreichen semidefiniten Programm, welches zusätzlich diskrete Entscheidungsvariablen enthält. Da selbst die SDP Relaxierung dieses Optimierungsproblems zu groß ist um es mittels gängiger SDP Löser auf einmal zu lösen, wird eine effiziente und zuverlässige Methode benötigt. Es wird ein Algorithmus basierend auf dem Dekompositionsprinzip von Benders vorgeschlagen.
Ausgehend vom Energiebedarf (Last) und der Einspeisung der erneuerbaren Energien als Unsicherheitsquelle, wird ein zweistufiges stochastisches Optimierungsproblem formuliert. Das Ziel ist es, einen Kraftwerkseinsatzplan zu finden, der wirtschaftlich effektiv und robust gegenüber Veränderungen in den Daten ist. Es werden die Auswirkungen des risikoneutralen und risikoaversen Ansatzes auf die stochastische Lösung untersucht und miteinander verglichen. Um die resultierenden zweistufigen Programme zu lösen wird das Wechselstromnetz mit Hilfe des SDP Ansatzes approximiert. Dies führt zu zweistufigen stochastischen gemischt-ganzzahligen semidefiniten Programmen mit spezieller Struktur. Als Lösungsmethoden wurden die L-shaped Methode und die duale Dekomposition verwendet
Motivische Homotopietheorie in der derivierten algebraische Geometrie
No full textIn topology, generalized cohomology theories are representable in the stable homotopy category. The analogue in algebraic geometry is the stable motivic homotopy category, constructed by Morel–Voevodsky, where generalized motivic cohomology theories are representable. In this thesis, we consider an extension of this construction to the world of derived algebraic geometry. We demonstrate the Morel–Voevodsky localization theorem in this setting, and establish the formalism of Grothendieck’s six operations. This formalism is encoded together with all homotopy coherence data using the language of higher category theory
Diversity of protists with special emphasis on chrysomonads: morphological and molecular diversity, distribution patterns and functional differentiation
No full textProtisten sind extrem divers, ihre Diversität ist bislang jedoch nur wenig untersucht. Obwohl mikrobielle Organismen die Basis allen Lebens darstellen und das Funktionieren von Ökosystemen sichern, gilt die meiste Aufmerksamkeit doch denjenigen Organismen, die man mit bloßem Auge sehen kann. Somit sind die Lebensweise und Diversität, sowie die funktionelle Differenzierung einzelliger Eukaryoten kaum bekannt. Ebenso sind viele ökologische Hypothesen für Protisten bislang nicht getestet. Das Ausmaß protistischer Diverstät und dessen Bedeutung für Ökosysteme ist weitgehend unverstanden. Die Aufklärung protistischer Diversität verlangt idealerweise eine Herangehensweise, die Alpha-Taxonomie, Phylogenetik, Phylogeographie und molekulare Diversität ebenso wie funktionelle und physiologische Diversität umfasst. Die vorliegende Arbeit wendet diese breite interdisziplinäre Herangehensweise an, um die Biodiversität von Protisten zu untersuchen. Kleine farblose Flagellaten gehören zu den problematischsten Protisten, da sie kaum markante morphologische Merkmale aufweisen und somit eine sichere Identifikation von Arten fragwürdig wird. Solche kleinen Flagellaten, insbesondere innerhalb der Chrysophyceen, sind daher ein folgerichtiger Anfangspunkt für die Untersuchung der Diversität von Protisten. In der detaillierten Untersuchung kryptischer Diversität innerhalb der kleinen, heterotrophen, farblosen Chrysophyceen zeige ich in dieser Arbeit die vorhandene Polyphylie in dieser Gruppe von Organismen auf und lege damit die Grundlage, ihre wahre Diversität in Feldstudien anhand molekularer Signaturen zu erforschen. Im Weiteren wird die Untersuchung der Verbreitungsmuster von Protisten in Diversitätsstudien meist durch zu wenige oder nur unzusammenhängende Probenahmestellen verhindert. In dieser Arbeit kann ich jedoch basierend auf einem der größten Probensets europäischer Protistengemeinschaften zeigen, dass verschiedene Großgruppen innerhalb der Protisten in verschiedenen Habitattypen unterschiedliche Verteilungsmuster aufweisen. Und nicht zuletzt wirft die enorme Diversität innerhalb der Protisten auch die Frage von Koexistenz und potentieller funktioneller Differenzierung auf. Ich wende mich diesem letzten Aspekt mit Hilfe einer metatranskriptomischen Herangehensweise zu, die den Grad funktioneller Redundanz innerhalb von Protistengemeinschaften aufdeckt. Damit kann ich in dieser Arbeit Protistendiversität in unterschiedlichen Aspekten auflösen: angefangen von der Artabgrenzung zwischen Protisten bis hin zu großskaligen Diversitäts- und Verbreitungsmustern und weiter zur funktionalen Rolle und Differenzierung von Protisten in Ökosystemen.Protistan diversity is tremendous. And it is largely understudied. Although the microbial sphere is the basis of all life and the driver of ecosystem functions, most attention is given to the organisms that one can observe with the bare eye. Therefore, the biology, the diversity and the functional differentiation of microbial eukaryotes is dramatically understudied. Many ecological hypotheses have not yet been tested for protists. The extent of protistan diversity and its relevance to ecosystems are largely unknown. Addressing protistan diversity ideally requires a comprehensive approach including alpha-taxonomy, phylogenetics, phylogeography and molecular diversity as well as functional and physiological diversity. This thesis aims at this broad interdisciplinary approach to protist biodiversity. Small colourless flagellates are among the most problematic protists as the scarceness of characters makes species identification questionable. Such small flagellates, specifically chrysomonads, are, therefore, a consequent starting point for investigating protistan diversity. As a detailed study of the cryptic diversity within small heterotrophic colourless chrysophytes, I reveal polyphyly within this group of organisms in this work and, thereby, set the ground for assessing their true diversity in the field based on molecular signatures. Addressing protistan distribution patterns again is usually restricted by a limited and scattered set of sampling sites. Based on an unequalled sample set focusing on European protist communities, I demonstrate differential occurrence patterns in different protistan metagroups among habitat types. Last but not least, the vast diversity of protists raises the question for their coexistence and potential functional differentiation. I address this last aspect with a metatranscriptomic approach, revealing the degree of functional redundancy within protistan communities. Thus, in this thesis I reveal protistan diversity starting from species delimitation to large scale patterns of protistan diversity and distribution and further to the functional role and functional differentiation of protists
Studien zur Synthese und Struktur mono- sowie multimetallischer Komplexe
No full textIn dieser Arbeit wurden eine Vielzahl von neuen metallorganischen Verbindungen der Haupt- und Nebengruppenelemente mit N,N`-chelatisierenden Liganden über Insertionsreaktionen synthetisiert. Darüber hinaus wurden neue Komplexe durch Alkan- oder Salzeliminierungsreaktionen dargestellt. Neben monometallischen wurden multimetallische Komplexe erfolgreich hergestellt und mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse eindeutig charakterisiert
Thermomechanic analysis of thermoelectric generators under realistic loads in vehicles
No full textThermoelektrische Generatoren (TEG) überführen das thermische Potential einer Temperaturdifferenz in elektrische Energie. Ursprünglich wurden sie nur in der Raumfahrttechnik zur Stromversorgung von Raumsonden und als Thermoelemente zur Temperaturmessung eingesetzt. Mit Voranschreiten der Materialentwicklung wurden sie auch für den Alltag interessant. Prozesse, die Abwärme erzeugen oder
auch kleinste Temperaturdifferenzen zwischen einem Körper und der Umgebung können von TEG genutzt werden, um elektrische Energie bereit zu stellen. Die beim Betrieb eines Kfz anfallende Abgaswärme bietet ebenfalls Potential für den Einsatz eines thermoelektrischen Generators. Besonders die künftige Entwicklung der Kraftstoffpreise und die gesetzlichen Vorgaben zur CO2-Reduktion stellen eine Motivation dar, die Bestrebungen einer TEG-Integration in den Abgasstrang eines Kfz voranzutreiben. Vor diesem Hintergrund wird die Effizienz einer thermoelektrischen Wandlung bei der Belastung mit Temperaturen eines realen Fahrzyklus untersucht. Die Abgasund Kühlkreislauftemperaturen werden von einer numerischen Simulation bereitgestellt und dienen als Eingangsgrößen eines Messgeräts. Mit Hilfe der verwendeten
Messtechnik können die generierte thermoelektrische Leistung und der Wirkungsgrad der Wandlung analysiert werden. Weiterhin wird die thermomechanische Belastung während eines Fahrzyklus untersucht. Die Belastung eines TEG mit sehr unterschiedlichen, stark variierenden Temperaturen über die Lebensdauer eines Kfz stellt besondere Herausforderungen an den Generator. Die Ergebnisse zeigen, dass die TEG die bereitgestellte thermische Energie erfolgreich in elektrische Energie umwandeln. Dennoch müssen bei einer Systemintegration weitere Aspekte, wie Zusatzgewicht, Kosten und auch die thermomechanische Belastung, berücksichtigt werden. Es wird ersichtlich, dass die Belastungen und besonders die häufigen Lastwechsel bereits nach kurzer Zeit zum Versagen der TEG führen. Aus diesem Grund ist eine Integration der aktuell verfügbaren Module in den Abgasstrang eines Kfz nicht zielführend. Materialentwicklungen und Geometrieanpassungen können jedoch zukünftig dazu führen, dass diese Anwendung denkbar wird
Dicke superradiance as a nondestructive probe for optical lattices
No full textWir entwickeln eine neue, umfassende Methode zur zerstörungsfreien Messung ultrakalter Atome in optischen Gittern, die auf den spezifischen Eigenschaften von Dicke-Superradianz basiert. Insbesondere schlagen wir ein Pump-Probe-Schema vor, in dem ein einzelnes Photon von einem Ensemble von Atomen in einem optischen Gitter zunächst kollektiv und kohärent absorbiert, dann für eine variable Zeitspanne gespeichert, und schließlich kollektiv reemittiert wird.
Im Falle unbeweglicher Atome erwartet man gerichtete, superradiante Emission aufgrund der Kohärenz des atomaren Dicke-Zustands, der durch die kollektive Absorption des Photons erzeugt wird. Dementgegen betrachten wir jedoch bewegliche Atome in einem optischen Gitter, die wir durch die zwei am häufigsten betrachteten Modellsysteme beschreiben -- das Bose-Hubbard-Modell und das Fermi-Hubbard-Modell. Im Allgemeinen beeinträchtigt die Gitterdynamik die räumliche Phasenkohärenz des Dicke-Zustands, wodurch wiederum die superradianten Emissionseigenschaften verändert werden. Umgekehrt können über die Messung der Emissionseigenschaften Rückschlüsse auf den Quantenzustand der Atome im optischen Gitter gezogen werden. Im Hauptteil der vorliegenden Dissertation untersuchen wir detailliert die Emissionseigenschaften für verschiedene Anfangszustände des Gitters und diskutieren ob diese mit der vorgestellten Messmethode unterschieden werden können. Dabei zeigen wir, dass im Falle von bosonischen Atomen zwischen angeregten Zuständen und dem superfluiden Grundzustand differenziert werden kann, während bei Fermionen der Mott-Néel-Zustand vom metallischen Grundzustand unterschieden werden kann.
Ferner ist das Pump-Probe-Schema prädestiniert zur Erforschung von Nichtgleichgewichts-Phänomenen, wie z.B. Quanten-Phasenübergängen. Deshalb untersuchen wir, inwiefern ein adiabatischer Phasenübergang von einem Mott-Isolator zur superfluiden bzw. metallischen Phase von einem abrupten (d.h. nichtadiabatischen) Übergang unterschieden werden kann.
Im Gegensatz zu fast allen gängigen Messmethoden, wie z.B. Time-of-Flight-Messungen oder In-situ-Abbildungen, kann die vorgestellte Messmethode als zerstörungsfrei angesehen werden, da die kohärente Interaktion mit einem einzelnen Photon nicht die Phasenkohärenz des Zustands des Gitters zerstört.
Zuletzt untersuchen wir eine abgewandelte Messmethode, die klassische Laserfelder anstatt einzelner Photonen einsetzt, und zeigen, dass diese vergleichbare Eigenschaften aufweist, während sie womöglich einfacher experimentell umzusetzen ist. Außerdem geben wir weitere Anregungen zur experimentellen Realisierung.We develop a new, comprehensive method to nondestructively probe ultracold atoms in optical lattices, utilizing the unique features of Dicke superradiance. In particular, we propose a pump-and-probe scheme, in which a single photon is collectively and coherently absorbed, then stored for a variable period of time, and later collectively re-emitted by an ensemble of atoms in an optical lattice.
For an immovable collection of atoms, directed superradiant re-emission is predicted due to the coherence of the atomic Dicke state, which is created by the collective absorption of the photon. In contrast, we consider moving atoms in an optical lattice, modeled via the two most commonly studied lattice models -- the Bose-Hubbard model and the Fermi-Hubbard model. In general, these lattice dynamics impair the spatial phase coherence of the Dicke state, which in turn modifies the superradiant emission characteristics. Conversely, measuring the emission characteristics allows to obtain information about the quantum state of the atoms in the optical lattice. As a main part of this Thesis, we study in detail the emission characteristics for different initial lattice states and discuss whether they can be distinguished using the suggested probing scheme. We find that it is possible to differentiate between excited states and the superfluid ground state in the case of bosonic atoms, while the Mott-Néel state can be distinguished from the metallic ground state in the case of fermions.
Furthermore, the pump-and-probe scheme is predestined to investigate nonequilibrium phenomena, such as quantum phase transitions. Thus, we explore whether an adiabatic phase transition from the Mott insulator phase to the superfluid or metallic phase, respectively, can be distinguished from a sudden quench.
As opposed to almost all commonly used detection techniques, such as time-of-flight measurements or in situ imaging, the proposed probing scheme can be considered nondestructive, as the coherent interaction with a single photon does not destroy the phase coherence of the optical lattice state.
Finally, we study a modified probing scheme employing classical laser fields instead of single-photon absorption and emission, demonstrating that it reproduces the features of the single-photon probe, while it is probably easier to implement experimentally. We give further suggestions on experimental realization
Impact of neuroblastoma TrkB target Galectin-1 on tumor immune cell interaction
No full textDas Neuroblastom (NB) ist der häufigste solide Tumor im Kindesalter. Auffällig bei dieser Erkrankung ist die heterogene Ausprägung. Ein Teil der Tumore benötigt keine oder nur eine milde Therapie, während der andere Teil selbst unter multimodaler Therapie nur sehr geringe Heilungschancen hat. Für die Tumorbiologie sind vor allem die Amplifikation des Onkogens MYCN, die mit einem schlechten Verlauf einhergeht, sowie die Expression von Trk-Rezeptoren von großer Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass die Expression von Galectin-1 (Gal-1) mit der Expression des TrkB-Rezeptors, der mit einer schlechten Prognose assoziiert wird, in vitro korreliert. Gal-1 ist ein multifunktionales Protein, dass die Aggressivität von Tumoren, beispielsweise durch die Induktion der Angiogenese oder die Förderung des „Tumor-Immune-Escape“ beeinflusst. In dieser Arbeit sollte der Effekt von Gal-1 im Immunsystem und in der Tumorgenese des NB näher charakterisieren werden.
Für in vivo Analysen wurde mit dem bereits gut etablierten NB-Mausmodell TH-MYCN gearbeitet. Da bisher im Kontext der Tumorentstehung wenig über das Immunsystem dieser Mäuse bekannt ist, wurde zunächst der Immunphänotyp von Zellen aus der Milz von tumortragenden Tieren im Vergleich zu tumorfreien Kontrollmäusen durchflusszytometrisch charakterisiert. Dabei konnten wir feststellen, dass Tumormäuse weniger CD4+ T-Zellen in der Milz haben als tumorfreie Kontrolltiere. Zudem stellte sich heraus, dass die Aktivität der CD4+ und CD8+ T-Zellen der tumortragenden Tiere supprimiert ist im Vergleich zu Kontrollmäusen. Im Anschluss wurde der Einfluss der Gal-1 Expression auf den T-Zell-Phänotyp untersucht. Dazu wurden zunächst T-Zellen von Gal-1−/−-Mäusen durchflusszytometrisch untersucht. Dabei zeigte sich sowohl in den CD4+ als auch in den CD8+ T-Zellen ein supprimierter
Phänotyp in Gal-1−/−-Tieren verglichen mit wt-Mäusen. Durch die Verpaarung des TH-MYCN-Mausmodells und des Gal-1−/−-Mausstammes sollte der Einfluss der Gal-1 Gendosis bei der NB-Entstehung und Progression des Tumors charakterisiert werden. Der Gal-1 Genotyp hatte dabei keinen Einfluss auf die Inzidenz oder das globale Genexpressionsprofil der Tumore. Eine reduzierte Gal-1 Expression korrelierte aber mit einer vergrößerten Milz in Tumormäusen, mit einer verringerten Tumorangiogenese und mit einer verringerten CD4+ T-Zell-Infiltration. In Migrationsassays konnte gezeigt werden, dass als Grund für die reduzierte
T-Zell-Infiltration in den Tumor eine verringerte Migration der T-Zellen aus Gal-1−/−-Mäusen möglich wäre. Zuletzt sollte der Einfluss von tumorproduziertem Gal-1 untersucht werden. Dazu wurden Zellen mit verminderter Gal-1 Expression erzeugt, um so den Unterschied zu der
bereits etablierten murinen NB-Zelllinie NHO2A charakterisieren zu können. Das Tumorwachstum der modifizierten Zellen wurde in Xenograftversuchen untersucht. Dabei zeigte sich, dass ein Ausschalten des tumorproduzierten Gal-1 das Tumorwachstum blockiert.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Gal-1 im TH-MYCN-Modell den Immunphänotyp und die Angiogenese verändert. Zudem konnten wir in vivo zeigen, dass tumorproduziertes Gal-1 das Tumorwachstum fördert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Gal-1 eine Zielstruktur für eine gerichtete Therapie des NB ist.Neuroblastoma (NB) is the most common and deadly solid tumor of childhood. Characteristic is its broad spectrum of clinical behaviors. Clinical presentations are heterogeneous, ranging from spontaneous regression to fatal outcome despite multimodal therapies. In NB neurotrophin receptors of the Trk family are key players determining biology as well as patient prognosis. The expression of TrkB correlates with unfavorable tumor biology and poor patient outcome. In vitro it could be shown that the TrkB status correlates with the expression of Galectin-1 (Gal-1). Gal-1 is a multifunctional protein, which can enhance tumor aggressiveness by induction of angiogenesis but it also plays a role in the tumor-immune-escape. Here, we aimed to assess the effect of Gal-1 on regulating the immune system and tumorigenesis using modulation of Gal-1 expression in immune effector cells and a transgenic NB model, respectively.
TH-MYCN mice are a well established mouse model of NB but only little is known about the interaction of tumors with the host immune response. Therefore we first investigated how the different immune cell population change in the spleen of tumor-bearing mice compared to tumor-free control mice. The fraction of CD4+ T cells is decreased in tumor mice. The activity of CD4+ T cells as well as CD8+ T cells in tumor-bearing mice is suppressed compared to control mice, suggesting a reduced immune response. To characterize the influence of Gal-1 on the phenotype of T cells we compared the immune compartment of Gal-1−/− mice to wt mice. Gal-1−/− mice showed a suppressed phenotype of T cells but an elevated fraction of CD11c+ dendritic cells. Furthermore we investigated the tumor incidence in the THMYCN model as a function of the Gal-1 gene dosage using Gal-1−/− mice. While Gal-1 did not change the incidence or the global expression profile, Gal-1−/− tumor mice presented with splenomegaly. Reduced Gal-1 gene dose correlated with reduced tumor angiogenesis as shown by immunohistochemistry. Tumor tissue from TH-MYCN mice differed in lymphocytic infiltration compared to double transgenic TH-MYCN; Gal-1−/− mice. While the frequency of CD4+ T cells was decreased in Gal-1 deficient NB mice, the fraction of CD11c+ dendritic cells was significantly elevated. CD4+ T cells from Gal-1−/− mice have a reduced migratory capacity when compared to T cells from wt mice explaining the lower frequency in tumor infiltrating CD4+ T cells. Newly established cell lines with reduced Gal-1 expression were a tool to look into the influence of tumor-produced Gal-1. We investigated tumor growth of NB cell lines by xenograft experiments. In this analysis we detected that tumor-produced Gal-1 is promoting tumor growth.
In conclusion these results confirm a role for Gal-1 in modulating the immune phenotype and angiogenesis in a transgenic NB model. In addition in vivo experiments showed that tumor produced Gal-1 is supporting tumor growth. These findings are leading us to the hypothesis that we can use tumor-produced Gal-1 as a target for NB therapy
Verhalten von Mikroschadstoffen bei der Hydrothermalen Karbonisierung von Klärschlamm
No full textDie Hydrothermale Karbonisierung (HTC) wird seit einigen Jahren als vielversprechende Methode zur Umwandlung von organischen Reststoffen eingesetzt. Durch das Erhitzen einer wässrigen Suspension auf 190 - 250 °C unter Luftausschluss findet bei einem Druck von ca. 15 bar die Umwandlung zu Biokohle statt. Der Einsatz von Klärschlamm in der HTC wird erst seit Kurzem durchgeführt. Vorteile sind eine verbesserte Entwässerbarkeit und ein höherer Brennwert. Darüber hinaus werden die Möglichkeit zur Nährstoffrückgewinnung und eine Reduktion von Schadstofffrachten postuliert. Letztere Hypothese wurde in dieser Arbeit geprüft. Als relevante Stoffgruppen wurden aufgrund ihrer Umweltrelevanz und Persistenz zwölf Arzneimittel sowie die Gruppe der perfluorierten Tenside (PFT) ausgewählt. Zunächst mussten Methoden der Flüssigchromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (LC-MS) für die Quantifizierung der Substanzen in den Matrices Klärschlamm und Biokohle entwickelt werden. Matrixeffektchromatogramme machten dabei die Komplexizität der Matrix sichtbar. Die finale Analysenmethode von Arzneimitteln in Klärschlamm und Biokohle basierte auf einer Probenvorbereitung mittels Gefriertrocknung und beschleunigter Lösemittelextraktion. Die Extrakte wurden direkt injiziert und die gesuchten Substanzen mittels Standardaddition quantifiziert. Zur Untersuchung der PFT wurde ein zusätzlicher Aufreinigungsschritt mittels Festphasenextraktion integriert. Bei der Untersuchung von Klärschlämmen und dazugehörigen Biokohlen nach HTC zeigte sich, dass die Klärschlämme eine höhere Belastung mit Arzneimitteln und PFT aufwiesen als die entsprechenden Biokohlen. Daraus ergab sich eine Reduktion der Schadstofffracht durch die HTC. Die Reaktionsmechanismen, die zu dieser Reduktion führten, wurden am Beispiel von Diclofenac genauer untersucht. Hierzu wurde in Inertexperimenten mit Sand das Abbauverhalten der Substanz bei der HTC betrachtet. Non-target Analytik mittels hochauflösender Massenspektrometrie (LC-HRMS) half bei der Identifizierung von Transformationsprodukten. Daraus konnte ein Abbaumechanismus für Diclofenac postuliert werden. Die Übertragung der Ergebnisse aus Interexperimenten auf die komplexe Klärschlammmatrix erfolgte in einem nächsten Schritt. Das Verhalten von Diclofenac in Realproben zeigte allerdings deutliche Diskrepanzen, deren Ursachen nicht vollständig aufgeklärt werden konnten. Insgesamt stellt diese Arbeit die Entwicklung von LC-MS Methoden zur Analyse von Spurenstoffen in Klärschlamm und Biokohle dar. Die Untersuchung von Realproben ergab, dass die HTC geeignet ist, Spurenstoffe aus Klärschlamm zu reduzieren. Für Diclofenac konnte ein Reaktionsmechanismus postuliert werden. Damit verknüpft diese Arbeit die Entwicklung analytischer Methoden für komplexe Umweltproben mit der Bewertung neuartiger Behandlungsverfahren wie der HTC. Darauf aufbauend können weiterführende Studien das Verhalten anderer Stoffgruppen bei der HTC untersuchen oder die Anwendung der produzierten Biokohle in der Landwirtschaft bewerten.Hydrothermal carbonization (HTC) has become a promising process for treating residual and waste materials. Heating up the aqueous matter to 190 - 250 °C in a closed system at about 15 bar converts the material to biochar. Use of sewage sludge in the HTC process has emerged recently. Compared to sewage sludge the biochar from HTC has an enhanced dewaterability and an increased heating value. Moreover, proponents claim that nutrients enrich in the biochar and pollutants degrade during the process. In this thesis the latter assumption was examined.
Twelve pharmaceuticals from different compound classes and ten perfluorinated compounds (PFC) were selected because of their ecological relevance and persistence. First, liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS) methods were developed for the selected compounds in sewage sludge and biochar from HTC. Matrix effect profiles visualized the sample complexity. Final methods for the analysis of pharmaceuticals included sample lyophilization and pressurized liquid extraction. Extracts were injected directly to LC-MS and quantified via standard addition. Analysis of PFC required an additional clean-up step via solid phase extraction.
Analysis of pharmaceuticals and PFC in sewage sludge from different wastewater treatment plants and their resulting biochars showed that the sewage sludges contained higher amounts of the analytes than their corresponding biochars. Hence, HTC could reduce the micropollutant load in sewage sludge. Although compound loads followed regional trends, the removal rates remained independent from the sewage sludge source.
The mechanisms causing the compound decline were followed in detail by the example of diclofenac. Therefore, the compound was examined in inert HTC experiments, whereby sand replaced the sewage sludge. Non-target analysis using high resolution mass spectrometry (LC-HRMS) helped to identify transformation products. Therewith a degradation mechanism for diclofenac during HTC was postulated. Based on that, results were transferred to the complex sewage sludge matrix. However, behavior of diclofenac during HTC of sewage sludge differed significantly from the inert experiments. The reasons for these discrepancies could not be fully revealed.
Altogether, this thesis presented LC-MS methods to determine micropollutants in sewage sludge and biochar. Sample analysis showed that the HTC could reduce micropollutants in sewage sludge by converting it to biochar. The process was followed mechanistically for diclofenac. Therewith, this work connects developing new analytical LC-MS methods with assessing novel processes like the investigated HTC. Based on that, further studies could investigate the behavior of other compound classes. Further on, the application of the produced biochar in agriculture could be examined