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Automatic Structural Synthesis of Planar Mechanisms and Its Application to Creative Design
No full textIn order to find a systematic approach to aid the creative design of mechanisms, this thesis proposes a unified structural synthesis method for planar kinematic chains and mechanisms with simple and multiple joints, characterized by effectiveness, automation and human-machine interaction, and develops the atlas databases containing all the topological graphs for these kinematic chains and mechanisms with different numbers of links, classified by their structural characteristics. Based on the classified atlas databases, the creative design of several kinds of mechanisms is also conducted to verify the usefulness of the method. The overall structure of the thesis is as follows.
(1) In chapter 2, the representation models of planar kinematic chains with simple joints, multiple joints and geared joints are presented and the relationships between these models are revealed.
(2) In chapter 3, the relationships of contracted graphs of planar non-fractionated kinematic chains and their link assortment arrays are revealed first. Then a fully-automatic method for the synthesis of the contracted graphs of planar non-fractionated kinematic chains is proposed. With the method, the complete families of non-fractionated contracted graphs and of valid contracted graphs with up to eight basic loops and all possible degrees of freedom are synthesized and obtained for the first time.
(3) In chapter 4, a general method is proposed to synthesize planar non-fractionated kinematic chains and mechanisms based on the obtained contracted graphs. The method is fully-automatic and designer-friendly, and planar non-fractionated kinematic chains and mechanisms with up to 19 links are synthesized. Moreover, the classified atlas databases for these kinematic chains and mechanisms are also established.
(4) In chapter 5, based on the structure characteristics of fractionated kinematic chains, a general synthesis equation of planar fractionated kinematic chains is proposed first. Then an automatic method is proposed to synthesize planar fractionated kinematic chains by the combination of planar non-fractionated kinematic chains, and the whole family of planar fractionated kinematic chains with up to seven basic loops is synthesized for the first time.
(5) In chapter 6, based on the new bicolor topological graph and its inter-convertible characteristics with that of simple joint kinematic chains, an automatic method is proposed to synthesize multiple joint kinematic chains from simple joint kinematic chains and their classified atlas databases. The whole family of multiple joint kinematic chains with up to 16 links is synthesized for the first time and corresponding classified atlas databases are also established.
(6) In chapter 7, based on the structural synthesis and classified atlas databases of kinematic chains with simple and multiple joints, a creative design method is proposed to obtain all the feasible mechanisms for a specified task from the topological graphs in the classified atlas databases subject to design constraints. The creative design of road tractors, hydraulic robots and forging manipulators is conducted as examples, and a number of novel mechanisms are obtained for the first time together with the widely used ones
α-Catenin is a dosage-dependent tumor suppressor gene in MDS
No full textMyelodysplastic Syndromes (MDS) are a heterogeneous group of malignant hematological disorders characterized by ineffective hematopoiesis and a risk of transformation to acute myeloid leukemia (AML). MDS arises from mutations and chromosomal aberrations in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) leading to their clonal expansion and a dysfunction in their maturation. The most frequent chromosomal lesion in MDS is a heterozygous deletion on the long arm of chromosome 5. Following the hypothesis that this region encodes a key tumor suppressor gene, cytogenetic and high-resolution genomic profiling studies of a large patient cohort have defined two commonly deleted regions (CDRs). Remarkably, for both CDRs, no mutation has been reported on the remaining, intact allele excluding the presence of a classical tumor suppressor that requires the inactivation or loss of both copies. Despite extensive efforts, the identity of the predicted, most likely gene dosage insufficient tumor suppressor remains obscure.
In this study, I investigated the tumor suppressor function of the α-Catenin-encoding gene CTNNA1 located in the center of the proximal CDR. I employed a competitive reconstitution approach using RNAi in murine HSPCs to test the gene dosage reduction of α-Catenin in vivo. As well, using a reciprocal approach, I assessed the effect of α-Catenin re-expression in a leukemia cell line with a deletion on chromosome 5 encompassing the CTNNA1 locus.
First, I showed that one out of 8 shRNA encoding vectors mediated a reduced Ctnna1 expression that conveyed a clonal advantage to the transplanted HSPCs leading ultimately to a myeloid malignancy in vivo. The affected cells showed both self-renewal and long-term repopulation ability, since their clonal dominance was retained in recipient mice for more than six months after transplantation as well as upon secondary transplantation. To implement the frequent co-occurrence of inactivating TP53 mutations with 5q deletions in MDS patients, I performed a competitive reconstitution experiment with HSPCs expressing no Tp53 and reduced Ctnna1 levels. The inactivation of Tp53 conferred an additive effect compared to the clonal dominance of the HSPC with low Ctnna1 expression alone and caused an earlier onset of death of transplanted mice. Thus, my work provides the first functional evidence for α-Catenin as a gene dosage insufficient tumor suppressor in myeloid malignancies in vivo. To further analyze the observed phenotype, I cultivated primary bone marrow cells with RNAi-mediated knockdown of Ctnna1. The downregulation of Ctnna1 using one specific RNAi vector led to the survival, proliferation and immortalization of the cells in vitro.
While downregulation of Ctnna1 in murine hematopoietic cells invoked a growth and survival advantage, I could show that in HL60 cells, a model cell line for myeloid malignancies with deletion of chromosome 5q, re-expression of CTNNA1 strongly impaired the cell growth. In addition, the cells showed upregulation of differentiation markers. In conclusion, my study revealed key aspects of the tumor suppressive activity of CTNNA1 in hematopoietic cells based on in vivo and complementary in vitro studies.Die Myelodysplastischen Syndrome (MDS) sind eine Gruppe heterogener maligner hämatologischer Erkrankungen, die sich durch ineffektive Hämatopoese und einem erhöhten Transformationsrisiko zu Akuter Myeloischer Leukämie (AML) auszeichnen. MDS wird durch Mutationen und chromosomale Aberrationen in hämatopoetischen Stamm- und Vor-läuferzellen (HSVZ) ausgelöst, die deren klonale Expansion und Differenzierungsstörungen bewirken. Die häufigste chromosomale Aberration in MDS ist eine heterozygote Deletion des q-Armes auf Chromosom 5. Basierend auf der Hypothese, dass in dieser Region Tumor-suppressorgene lokalisiert sind, konnten über cytogenetische und hochauflösende genomische Analyseverfahren zwei rekurrente Deletionsregionen (CDRs) definiert werden. Bemerkens-werterweise wurde in keiner dieser beiden Abschnitte eine Mutation auf dem intakten Allel identifiziert, sodass die Existenz klassischer Tumorsuppressorgene, für die eine Inaktivierung beider Allele erforderlich ist, in den CDRs ausgeschlossen werden kann. Stattdessen ist eine Gendosisabhängigkeit dieser putativen Tumorsuppressorgene wahrscheinlich. Allerdings sind ihre Identitäten bisher noch weitgehend unbekannt.
In dieser Arbeit analysierte ich die Tumorsuppressorfunktion von α-Catenin, das durch CTNNA1 in der proximalen CDR kodiert wird. In einem kompetitiven Rekonstitutionsansatz untersuchte ich die durch RNAi-vermittelte Gendosisreduktion von α-Catenin in murinen HSVZ. Zudem analysierte ich den Effekt der Re-expression von α-Catenin in einer humanen Leukämiezelllinie mit heterozygoter 5q-Deletion, die den CTNNA1 Lokus einschließt.
Zunächst zeigte ich, dass einer von 8 shRNA-kodierenden Vektoren eine Ctnna1 Gen-dosisreduktion bewirkte, die transplantierten HSVZ eine klonalen Vorteil vermittelte und zu einem MDS-ähnlichen Phänotyp führte. Die betroffenen hämatopoetischen Zellen zeigten sowohl Selbsterneuerungs- als auch Langzeitrepopulationspotenzial, da sie das Knochenmark der Empfängertiere länger als 6 Monate klonal dominierten und ebenso in sekundären Empfängertieren anwuchsen. Da inaktivierende TP53 Mutationen häufig mit 5q-Deletionen in MDS Patienten assoziiert sind, wurde das Experiment ebenfalls mit HSVZ aus Tp53–/– Mäusen durchgeführt. Die Tp53 Inaktivierung verstärkte die klonale Dominanz der trans-plantierten HSVZ mit reduzierter Ctnna1 Gendosis und verkürzte die Überlebensrate der transplantierten Mäuse. Meine Arbeit zeigt erstmalig in funktionellen Analysen die gendosis-abhängige Tumorsuppressorfunktion von α-Catenin in malignen myeloiden Erkrankungen in vivo. Um diese weiter zu untersuchen, kultivierte ich primäre murine HSVZ mit RNAi-vermittelter Gendosisreduktion von α-Catenin. Der Knockdown von Ctnna1 führte auch in vitro zu erhöhtem Wachstum und zur Immortalisierung der transduzierten Zellen.
Während Gendosisinsuffizienz von α-Catenin murinen hämatopoetischen Zellen einen Wachstums- und Überlebensvorteil vermittelte, zeigte ich in einem reziproken Versuchs-ansatz in HL60 Zellen, einer humanen Modellzelllinie für 5q-Deletionen, dass die Re-expression von CTNNA1 das Zellwachstum stark beeinträchtigte. Zudem löste α-Catenin Re-expression die Hochregulation von Differenzierungsmarkern in HL60 Zellen aus. Meine Arbeit gibt Aufschluss über die entscheidende Tumorsuppressorgenfunktion von α-Catenin in MDS anhand von funktionalen Daten aus in vivo und ergänzenden in vitro Studien
Development of an inducible cell culture model for transcriptional interference
No full textAls transkriptionelle Interferenz (TI) wird die direkte Unterdrückung eines Transkriptionsprozesses durch einen anderen in cis bezeichnet. TI ist ein weit verbreiteter Mechanismus zur Transkriptionsregulation, der durch Transkription von konvergenten, divergierenden oder im Tandem angeordneten Promotoren hervorgerufen werden kann. Bei Säugetieren ist die TI auch an der Regulation der Expression von Genen beteiligt, die der genomischen Prägung unterliegen. In Neuronen der Maus und des Menschen wird das geprägte Gen Ube3a ausschließlich vom maternal ererbten Allel exprimiert. Auf dem paternalen Allel überlappt die Transkription der langen nicht-kodierenden RNA Snhg14 mit dem Ube3a-Gen und führt durch TI zur monoallelischen Ube3a-Expression.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Etablierung eines Zellkulturmodells, welches die Untersuchung von TI mit beliebigen humanen Promotoren erlaubt. Hierfür wurden die Promotoren der Gene UBE3A, HBA2 und MSH2 als Testpromotoren ausgewählt und ihre Aktivität zunächst mittels Luciferaseaktivitätsmessungen in humanen, transient transfizierten Flp-In™-T-REx™-293-Zellen bestimmt. Für die Etablierung des Zellkulturmodells wurden die Testpromotoren zusammen mit dem EGFP-Gen stromabwärts eines induzierbaren CMV-Promotors integriert, welcher die Expression des überlappenden β-Globin-Transkripts Exon_2/3 steuert. Die Testpromotoren UBE3A und HBA2 wurden dabei in konvergenter Richtung zum CMV-Promotor inseriert, während der MSH2-Promotor in Tandem-Orientierung positioniert wurde. Durch die Zugabe von Doxycyclin für drei, sieben, zehn und 14 Tage wurde der CMV-Promotor in der jeweiligen stabilen Flp-In™-T-REx™-293-Zelllinie induziert und die Auswirkungen auf die Exon_2/3- und EGFP-Expression mittels qRT-PCR analysiert. Dabei zeigte sich in allen untersuchten Zelllinien und zu allen Zeitpunkten eine Zunahme der Exon_2/3-Expression, da dieses Transkript durch den mit Doxycyclin induzierbaren CMV-Promotor gesteuert wird. Die EGFP-Expression, welche in dem etablierten Zellkulturmodell durch den jeweiligen Testpromotor kontrolliert wird, war in diesen Zellen hingegen reduziert. Die Reduktion der EGFP-Expression erfolgte durch TI und konnte auch durch eine Abnahme der EGFP-Fluoreszenz mittels Mikroskopie beobachtet werden. Der stärkste TI-Effekt wurde mit dem integrierten UBE3A-Testpromotor bestimmt, gefolgt von den Promotoren von HBA2 und MSH2. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das etablierte Zellkulturmodell für die Untersuchung von TI eignet und die Stärke des beobachteten TI-Effekts abhängig vom integrierten Promotor ist. Zudem ergaben weitere Untersuchungen, dass der TI-Effekt im etablierten Modell reversibel ist und keine Methylierung der Testpromotoren hervorgerufen wurde.Transcriptional interference (TI) is the direct and in cis suppression of one transcriptional process by another. It is a widespread transcriptional regulation mechanism that can be caused by transcription from convergent, divergent, or tandem promoters. In mammals, TI is also involved in the regulation of imprinted gene expression. An imprinted gene that is only maternally expressed in murine and human neurons is Ube3a. On the paternal allele, transcription of the long non-coding RNA Snhg14 overlaps with the Ube3a gene and leads to the silencing of paternal Ube3a expression through TI.
In this study, an inducible cell culture model was established which allows the investigation of TI with any human promoter. The promoters of UBE3A, HBA2 und MSH2 were chosen as test promoters and their activity was determined by luciferase reporter assays in transiently transfected human Flp-In™ T-REx™ 293 cells prior to the establishment of this cell culture model. These test promoters together with EGFP were cloned downstream of an inducible CMV promoter which drives the expression of an overlapping β-globin transcript named exon_2/3. The test promoters UBE3A and HBA2 were integrated in convergent orientation with the CMV promoter, whereas the MSH2 promoter was positioned in tandem orientation. After generation of stable cell lines of Flp-In™ T-REx™ 293 cells, the CMV promoter was induced by addition of doxycycline for three, seven, ten and 14 days and the influence on the expression of exon_2/3 and EGFP was determined by qRT-PCR analysis. Since the exon_2/3 transcript is controlled by the inducible CMV promoter, the expression of exon_2/3 was increased in all of the investigated cell lines at any time point compared to untreated controls. In contrast, the EGFP expression, which is driven by the test promoter, was reduced in these cells due to TI. These results were confirmed by a decrease of EGFP fluorescence by cell microscopy. The strongest TI effect was observed for the UBE3A test promoter, followed by the promoters of HBA2 and MSH2. Since the strength of the investigated TI effect was dependent on the integrated promoter, the established cell culture model is suitable for studying TI with any human promoter. The results also showed that the effect of TI is reversible in the established model and that the test promoters did not gain methylation
About the Plasma-Synthesis of Silicon-Based, Nanochrystalline Materials and Their Thermoelectric Properties
No full textIm Rahmen der Forschungsarbeit zu dieser Dissertation wurden Silizium-basierte Nanopartikel in einem Niederdruck-Mikrowellenplasmareaktor hergestellt und charakterisiert. Die Partikel wurden durch Stromsintern zu nanostrukturierten, makroskopischen Festkörpern verar-beitet und deren strukturellen und thermoelektrischen Eigenschaften erforscht.
Einkristalline, weich agglomerierte Nanopartikel aus Silizium, Silizium-Germanium-Legierungen und als Neuerung Silizium-Germanium-Nanopartikel-Komposite wurden über die Plasma-Pyrolyse (Zersetzung im Plasma) von Monosilan und Monogerman in einem kontinuierlich durchströmten Mikrowellen-Plasma-Reaktor hergestellt. Die elektronischen Eigenschaften wurden über eine In-situ-Dotierung der Nanopartikel mit Phosphin oder Diboran eingestellt. Durch Variation der Synthesebedingungen (Prozessdruck, Gasmassenfluss, Mikrowellenleistung) konnte der mittlere Partikel-Durchmesser (erhalten aus BET-Messungen) zwischen 5 und 50 nm und die Dotierstoffkonzentration zwischen 1019 cm–3 und 1021 cm–3 eingestellt werden. Für die Herstellung der Legierungen erlaubte der Gasphasenprozess dazu eine präzise Einstellung der Anteile der Elemente Silizium und Germanium. Die Silizium-Germanium-Nanokomposite wurden in zwei separaten Mikrowellenplasmen hergestellt, die Erzeugung des Kompositmaterials erfolgte über die Vereinigung der Aerosolströme.
In einem zweiten Verarbeitungsschritt wurden aus den Nanopartikeln in einem Stromsinterverfahren makroskopische, mechanisch stabile und belastbare Festkörper hergestellt. Diese Herangehensweise zur Herstellung von nanostrukturierten, makroskopischen Festkörpern wurde mit dem Ziel, die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu senken erdacht. Messungen ergaben, dass die Wärmeleitfähigkeit durch die Nanostrukturen (im Vergleich zum Einkristall) erfolgreich beeinflusst (d. h. verringert) werden konnte. Dies ist von zentraler Bedeutung, da die thermoelektrische Güte Silizium im Volumenmaterial aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit sehr gering ist.
Die Messung der thermoelektrischen Transporteigenschaften ergab für Phosphordotiertes Silizium Werte (bei Raumtemperatur) für den Seebeck-Koeffizienten zwischen –75 und –100 μV/K, Werte für die elektrische Leitfähigkeit zwischen 800 und 1400 S/cm und Werte für die Wärmeleitfähigkeit zwischen 30 und 16 W m–1 K–1.
Neben Partikeln aus dotiertem Silizium wurden auch Legierungen von Silizium mit Germani-um hergestellt. Eine Legierung mit 20% Germanium zeigte eine sehr niedrige Wärme-leitfähigkeit von etwa 2 W m–1 K–1, was einer Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit nochmals um etwa den Faktor zehn (im Vergleich zu Nano-Silizium) bedeutet.
Die thermoelektrische Güte der hier hergestellten Materialien konnte gegenüber den Werten für einkristallines Silizium um ein Vielfaches verbessert werden, die besten Werte für die thermoelektrische Güte von 0,53 bei ca. 960°C wurden für mit 2%at Phosphor dotiertem Sili-zium ermittelt. Die beste thermoelektrische Güte einer Silizium-Germanium-Legierung wurde zu 0,75 berechnet, der Germaniumanteil betrug ca. 20%at. Den höchsten Wert von ca. 0,85 wurde für ein Material ermittelt, welches aus einem Silizium-Germanium-Nanopartikel-Komposit hergestellt wurde, der Germaniumgehalt betrug hier ca. 9%at.Within this PhD thesis, silicon nanoparticles were generated in a low-pressure microwave-plasma reactor. Dense, nanostructured silicon bulk samples were generated by current-assisted sintering. The samples were characterized focusing on their structural and thermoe-lectric properties.
Single-crystalline and softly-agglomerated nanoparticles from silicon, silicon-germanium al-loys and for the first time, nanocomposite materials form silicon and germanium where syn-thesized by plasma-induced decomposition of gaseous precursors such as monosilane in a microwave-plasma flow-reactor. Through controlling the reactor conditions such as pressure, mass flows or microwave power during the synthesis, the mean particle diameter was tuned between 5 and 50 nm. The alloy composition and the dopant concentration were tuned by adjusting the respective precursor mass-flows. Silicon-germanium nanoparticle composite materials were generated by using two independent microwave-plasma reactors, one for each sort of particles, and mixing the aerosol flows downstream of the reaction zone.
Using a second step of manufacturing, the nanoparticles were transferred to stable, dense, nanostructured bulk samples using current-assisted sintering. This route of manufacturing bulk-silicon samples was used to engineer (i.e., lower in this case) the thermal conductivity of the material. This issue is of special importance if silicon is to be used as a thermoelectric material, because the single-crystalline bulk material has a rather high thermal conductivity, which makes it inefficient from a thermoelectric point of view.
Measuring the transport properties of phosphorous-doped nano silicon revealed values be-tween –75 and –100 μV/K for the Seebeck coefficient, 800 to 1400 S/cm for the electrical conductivity and 30 to 16 W m–1 K–1 for the thermal conductivity.
Alloys and nanopoarticle composites from silicon and germanium led to further reduced thermal conductivity of the materials. An alloy with 20% germanium exhibits a very low con-ductivity of 2 W m–1 K–1, a reduction about a factor of ten compared to nanostructured silicon.
A tremendous improvement over the thermoelectric performance of single-crystalline bulk silicon was obtained both by the nanostructured silicon and the silicon-germanium materials. The best values for germanium-free samples were obtained at a nano-silicon sample with 2% phosphorus with a figure-of-merit of 0.53 at 960°C. The best silicon-germanium alloy (20% Ge) performed as good as 0.75 at 960°C and the best silicon-germanium composite material (9% Ge) reached up to 0.85
Genomweite Untersuchungen zur Evolution und Methylierung von CpG-Inseln
No full textCpG-Inseln sind, im Vergleich zum übrigen Genom, DNA-Regionen mit einem hohen GC-Gehalt und einer hohen Frequenz an CpG-Dinukleotiden. Sie können die Expression von Genen beeinflussen, in dem sie z.B. die Aktivität benachbarter bzw. überlappender Promotoren unterstützen und spielen auch bei der genomischen Prägung eine Rolle. Die genomische Prägung des humanen RB1-Gens beruht z.B. auf einem differentiell methylierten CGI im Intron 2 des RB1-Gens. Dieses CGI ist Teil einer durch Retrotransposition eingefügten Sequenz des PPP1R26-Gens von Chromosom 9 und hat sich zu einem differentiell methylierten alternativen RB1-Promotor entwickelt. Ziel dieser Arbeit ist es weitere geprägte Loci im Humangenom mit denselben Eigenschaften, wie denen des RB1-Locus, zu finden, wenn möglich den evolutionären Zeitpunkt der Entstehung dieser CGIs zu bestimmen und darüber hinaus alle CGIs, die mit einer Retrokopie überlappen auf genomische Prägung hin zu untersuchen.
Zusammenfassend wurde im ersten Teil dieser Arbeit herausgefunden, dass das humane Genom nicht nur mehr CGIs als das murine Genom besitzt, sondern auch das Verhältnis von ausschließlich intronischen CGIs mehr als doppelt so hoch ist (7,7% humane intronische CGIs zu 3,5% murinen intronischen CGIs). Mindestens 2.033 humane intronische CGIs sind nicht im murinen Genom vorhanden. Von diesen haben 104 CGIs Sequenzähnlichkeiten zu anderen Regionen im humanen Genom und mindestens 45 sind assoziiert mit einer Retrokopie.
Insgesamt konnte von 86 der 104 human/nicht-murin intronischen CGIs der evolutionäre Ursprung näher bestimmt werden. Im Galago-Genom (Buschbaby) konnten nur sieben dieser CGIs nachgewiesen werden. Dies weist darauf hin, dass der Großteil der 104 CGIs nach der Spaltung der Unterordnungen Haplorrhini und Strepsirrhini entstanden sind, und unterstützt die Idee, dass CGIs Teil der retrotranspositional explosion sind.
Die meisten der human/nicht-murin intronischen CGIs sind methyliert (~75%) oder unmethyliert (~15%). Nur 14 CGIs zeigten ein mittleres Methylierungsniveau zwischen 20% und 80% in Monozyten und auch anderen Geweben, wovon nur fünf (14414_1_hg19, 15224_1_hg19, 16634_1_hg19, 19100_1_hg19 und 20632_1_hg19), einschließlich des intronischen CpG85 des RB1-Gens (16634_1_hg19), weitere Kriterien für eine mögliche differentielle Methylierung erfüllten. Diese CGIs sind, bis auf CGI 20632_1_hg19, alle durch Retrotransposition entstanden. Mit Hilfe der hochquantitativen Hochdurchsatz-Bisulfitsequenzierung konnten bei CGI 14414_1_hg19 (ASRGL1) und 19100_1_hg19 (PDXDC1) allelische Methylierungsunterschiede gezeigt werden. Im Gegensatz zu der geprägten Methylierung des CpG85 des RB1-Gens, waren die allelischen Methylierungsunterschiede bei ASRGL1 und PDXDC1 jedoch deutlich geringer, so dass ihre differentielle Methylierung sequenzspezifisch ist. Die Hypothese von einer allelspezifischen Methylierung von CGI 15224_1_hg19 (PARP11) konnte verworfen werden.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der RB1/Rb1-Locus einzigartig in seinen Eigenschaften ist. Es gibt jedoch weitere CGIs, die allelische Methylierungsunterschiede aufweisen, die aber nicht elternspezifisch sind, sondern abhängig von der DNA-Sequenz.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit konnte ermittelt werden, dass insgesamt nur 10% (1.319 von 13.173) aller Retrokopien mit einem CGI assoziiert sind (R-CGI). Der Großteil dieser R-CGIs war entweder vollständig methyliert (588) oder vollständig unmethyliert (384), wobei bei 152 R-CGIs die Methylierung aufgrund schlechter genomischer Abdeckung nicht ermittelt werden konnte. Ein mittleres Methylierungsniveau (zwischen 20% und 80%) konnte bei 195 dieser R-CGIs festgestellt werden, wobei neben der geprägten Methylierung des CpG85 des RB1-Gens auch eine geprägte Methylierung des R-CGIs 9261_1_hg19 des RPS2P32-Gens identifiziert werden konnte. Methylierung in Oozyten, keine Methylierung in Sperma, Methylierung nur des maternalen Allels in DNA aus Blut und ein Verlust der Methylierung in vier von sechs Patienten mit einem MLID weisen stark auf eine genomische Prägung hin. Untersuchungen der Expression in Blut zeigten jedoch eine biallelische Expression des RPS2P32-Gens. Daher ist es möglich, dass RPS2P32 in einem anderen Gewebe monoallelisch exprimiert wird. Auch konnte keine monoallelische Expression des benachbarten IGF2BP3-Gens, weder in Blut noch in Plazenta, nachgewiesen werden. Auch in diesem Fall kann eine monoallelische Expression von IGF2BP3 in anderen Geweben nicht ausgeschlossen werden.
Es konnte ein starker Zusammenhang zwischen dem Methylierungsgrad eines R-CGIs und der genomischen Umgebung festgestellt werden. Einerseits ist es möglich, dass die Methylierung der Integrationsstelle einen starken Effekt auf die Methylierung des R-CGIs hat, wobei ein potentieller Einfluss von repetitiven Sequenzen ausgeschlossen werden konnte. Andererseits kann sich auch die Methylierung der Retrokopie z.B. durch Abwehrmechanismen ausgebreitet haben. In diesem Fall würde man dann von einer de novo Methylierung infolge der Retrotransposition sprechen.CpG islands (CGIs) are CpG-rich sequences which meet specific criteria, like CG-content and length. They are mainly located at the 5’-end of a gene and can influence the expression of a gene for example by supporting the activity of a neighbouring or overlapping promoter. CGIs can also play a role in genomic imprinting. Imprinting of the human RB1 gene is due to the presence of a differentially methylated CGI in intron 2. This CGI is part of a retrocopy derived from the PPP1R26 gene on chromosome 9 and developed into an alternative promoter of the RB1 gene.
The aim of this study was to identify further imprinted loci of like the RB1 locus showing the same characteristics as the RB1 locus, to determine the time point of origin of these CGIs and furthermore to analyse all retrocopy associated CGIs with regard to genomic imprinting.
The first part of this study showed that the human genome contains more CGIs than the murine one and also the proportion of intronic CGIs is higher (7.7% human intronic CGIs vs. 3.5% murine intronic CGIs). Sequence comparison of human and murine intronic CGIs resulted in 2,033 human intronic CGIs which are not present in the murine genome (human/nonmurine intronic CGIs). Out of these, 104 CGIs showed high sequence similarities to other regions in the human genome and 45 are associated with a retrocopy.
Overall the time points of 86 CGIs (out of 104 CGIs with an additional hit in the human genome) could narrow down. For the remaining 18 CGIs it was not possible to detect the evolutionary time points because of sequence gaps in several primate genomes. Only seven human/nonmurine intronic CGIs are present in the bushbaby genome, suggesting that most of the 104 CGIs appeared after the split between Haplorrhini and Strepsirrhini and supports the idea of the retrotranspositional explosion.
Most of the 104 human/nonmurine CGIs are heavily methylated (~75%; methylation level over 80%) or unmethylated (~15%; methylation level below 20%). Only 14 CGIs show an intermediate methylation level (methylation level between 20% and 80%) in human monocytes and other tissues. Out of these 14 CGIs five CGIs (14414_1_hg19, 15224_1_hg19, 16634_1_hg19, 19100_1_hg19 und 20632_1_hg19), including CpG85 of the RB1 gene (16334_1_hg19), fulfil further criteria for a potential differential methylation. Only CGI 20632_1_hg19 does not appear to be associated with a retrocopy. Deep bisulfite sequencing of DNA from human monocytes showed allelic methylation differences at the CGI 14414_1_hg19 (ASRGL1) and 19100_1_hg19 (PDXDC1). In contrast to the imprinted methylation of CpG85 of the RB1 gene the allelic methylation differences at ASRGL1 and PDXDC1 were less marked. The observed allelic methylation differences at these two loci are sequence specific and not parent-of-origin-specific. Allelic methylation of CGI 15224_1_hg19 (PARP11) could not be verified.
The results of this part of the study showed that the RB1 locus is unique in respect of its characteristics. There are further CGIs showing allelic methylation differences which are not parent-of-origin-specific, but sequence specific.
The second part of this study showed that only 10% (1,319 out of 13,173) of all human retrocopies are associated with a CGI (R-CGI). Most of these R-CGIs are either methylated (588) or unmethylated (384) whereas the methylation level of 152 R-CGIs could not be analyzed due to insufficient coverage. Of all R-CGIs, 195 showed a methylation level between 20% and 80%. In addition to the imprinted methylation of CpG85 of the RB1 gene this study identified an imprinted methylation at the R-CGI 9261_1_hg19 of the RPS2P32 gene. Full methylation in oocytes, no methylation in sperm, only methylation of the maternal allele in DNA from blood and loss of methylation in four out of six patients with MLID indicate genomic imprinting. Expression analysis of RPS2P32 in blood showed biallelic expression of the gene, but it is possible that RPS2P32 is monoallelically expressed in other tissues. In addition the expression of the neighboring IGF2BP3 gene was analyzed in blood and placenta and a biallelic expression was detected. Again, it is possible that IGF2BP3 is monoallelically expressed in other tissues.
Furthermore a strong correlation between the methylation state of the environment and the R-CGI could be detected. On the one hand it is possible that the methylation at the integration site has a strong effect on the methylation state of the R-CGI (an influence of repetitive sequences could be excluded). On the other hand it is also possible that the methylation of the retrocopy has spread into adjacent regions due to e.g. host defense mechanisms. In this case the methylation would be a de novo methylation resulting from retrotransposition
Optimal Inventory Control and Distribution Network Design of Multi-Echelon Supply Chains
No full textOptimale Bestandskontrolle und Gestaltung von Vertriebsnetzen mehrstufiger Supply Chains
Aufgrund von Global Sourcing, Outsourcing der Produktion und Versorgung weltweiter Kunden innerhalb eines komplexen Vertriebsnetzes, in welchem mehrere Anlagen durch verschiedene Aktivitäten miteinander vernetzt sind, haben die meisten Unternehmen heutzutage immer komplexere Supply Chain-Netzwerke in einer immer unbeständiger werdenden Geschäftsumgebung. Mehr beteiligte Unternehmen in der Wertschöpfungskette bedeuten mehr Knoten und Verbindungen im Netzwerk. Folglich bringt die Globalisierung Komplexität und neue Herausforderungen, obwohl Unternehmen immer stärker von globalen Supply Chains profitieren. In einer solchen Geschäftsumgebung müssen sich die Akteure innerhalb der Supply Chain (SC) auf die effiziente Verwaltung und Koordination des Materialflusses im mehrstufigen System fokussieren, um diesen Herausforderungen handhaben zu können. In vielen Fällen beinhaltet die Supply Chain eines Unternehmens unterschiedliche Entscheidungen auf verschiedenen Planungsebenen, wie der Anlagenstandort, die Bestände und die Verkehrsmittel. Jede dieser Entscheidungen spielt eine bedeutende Rolle hinsichtlich der Gesamtleistung und das Verhältnis zwischen ihnen kann nicht ignoriert werden. Allerdings wurden diese Entscheidungen meist einzeln untersucht. In den letzten Jahren haben zahlreiche Studien die Bedeutung der Integration von beteiligten Entscheidungen in Supply Chains hervorgehoben. In diesem Zusammenhang sollten Entscheidungen über Anlagenstandort, Bestand und Verkehrsmittel gemeinsam in einem Optimierungsproblem des Vertriebsnetzes betrachtet werden, um genauere Ergebnisse für das Gesamtsystem zu erzeugen. Darüber hinaus ist ein effektives Management des Materialflusses über die gesamte Lieferkette hinweg, aufgrund der dynamischen Umgebung mit mehreren Zielen, ein schwieriges Problem. Die Lösungsansätze, die in der Vergangenheit verwendet wurden, um Probleme mehrstufiger Supply Chains zu lösen, basierten auf herkömmlichen Verfahren unter der Verwendung von analytischen Techniken. Diese sind jedoch nicht ausreichend, um die Dynamiken in Lieferketten zu bewältigen, aufgrund ihrer Unfähigkeit, mit den komplexen Interaktionen zwischen den Akteuren der Supply Chain umzugehen und das stochastische Verhalten zu repräsentieren, das in vielen Problemen der realen Welt besteht. Die Simulationsmodellierung ist in letzter Zeit zu einem wichtigen Instrument geworden, da ein analytisches Modell nicht in der Lage ist, ein System abzubilden, das sowohl der Variabilität als auch der Komplexität unterliegt. Allerdings erfordern Simulationen umfangreiche Laufzeiten, um möglichst viele Lösungen zu bewerten und die optimale Lösung für ein definiertes Problem zu finden. Um mit dieser Schwierigkeit umzugehen, muss das Simulationsmodell in Optimierungsalgorithmen integriert werden.
In Erwiderung auf die oben genannten Herausforderungen, ist eines der Hauptziele dieser Arbeit, ein Modell und ein Lösungsverfahren für die optimale Gestaltung von Vertriebsnetzwerken integrierter Supply Chains vorzuschlagen, das die Beziehung zwischen den Entscheidungen der verschiedenen Planungsebenen berücksichtigt. Die Problemstellung wird mithilfe von Zielfunktionen formuliert, um die Kundenabdeckung zu maximieren, den maximalen Abstand von den Anlagenstandorten zu den Bedarfspunkten zu minimieren oder die Gesamtkosten zu minimieren. Um die optimale Anzahl, Kapazität und Lage der Anlagen zu bestimmen, kommen der Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) und der Quantum-based Particle Swarm Optimization Algorithm (QPSO) zum Einsatz, um dieses Optimierungsproblem im Spannungsfeld verschiedener Ziele zu lösen. Aufgrund der Komplexität mehrstufiger Systeme und der zugrunde liegenden Unsicherheiten, wurde die Optimierung von Beständen über die gesamte Lieferkette hinweg zur wesentlichen Herausforderung, um die Kosten zu reduzieren und die Serviceanforderungen zu erfüllen. In diesem Zusammenhang ist das andere Ziel dieser Arbeit die Darstellung eines simulationsbasierten Optimierungs-Frameworks, in dem die Simulation, basierend auf der objektorientierten Programmierung, entwickelt wird und die Optimierung metaheuristische Techniken mit unterschiedlichen Kriterien, wie NSGA-II und MOPOSO, verwendet. Insbesondere das geplante Framework regt einen großen Nutzen an, sowohl für das Bestandsoptimierungsproblem in mehrstufigen Supply Chains, als auch für andere Logistikprobleme.Today, most companies have more complex supply chain networks in a more volatile business environment due to global sourcing, outsourcing of production and serving customers all over the world with a complex distribution network that has several facilities linked by various activities. More companies involved within the value chain, means more nodes and links in the network. Therefore, globalization brings complexities and new challenges as enterprises increasingly benefit from global supply chains. In such a business environment, Supply Chain (SC) members must focus on the efficient management and coordination of material flow in the multi-echelon system to handle with these challenges. In many cases, the supply chain of a company includes various decisions at different planning levels, such as facility location, inventory and transportation. Each of these decisions plays a significant role in the overall performance and the relationship between them cannot be ignored. However, these decisions have been mostly studied individually. In recent years, numerous studies have emphasized the importance of integrating the decisions involved in supply chains. In this context, facility location, inventory and transportation decisions should be jointly considered in an optimization problem of distribution network design to produce more accurate results for the whole system. Furthermore, effective management of material flow across a supply chain is a difficult problem due to the dynamic environment with multiple objectives. In the past, the majority of the solution approaches used to solve multi-echelon supply chain problems were based on conventional methods using analytical techniques. However, they are insufficient to cope with the SC dynamics because of the inability to handle to the complex interactions between the SC members and to represent stochastic behaviors existing in many real world problems. Simulation modeling has recently become a major tool since an analytical model is unable to formulate a system that is subject to both variability and complexity. However, simulations require extensive runtime to evaluate many feasible solutions and to find the optimal one for a defined problem. To deal with this problem, simulation model needs to be integrated in optimization algorithms.
In response to the aforementioned challenges, one of the primary objectives of this thesis is to propose a model and solution method for the optimal distribution network design of an integrated supply chain that takes into account the relationship between decisions at the different levels of planning horizon. The problem is formulated with objective functions to maximize the customer coverage or minimize the maximal distance from the facilities to the demand points and minimize the total cost. In order to find optimal number, capacity and location of facilities, the Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) and Quantum-based Particle Swarm Optimization Algorithm (QPSO) are employed for solving this multiobjective optimization problem. Due to the complexities of multi-echelon system and the underlying uncertainty, optimizing inventories across the supply chain has become other major challenge to reduce the cost and to meet service requirements. In this context, the other aim of this thesis is to present a simulation-based optimization framework, in which the simulation is developed based on the object-oriented programming and the optimization utilizes multi-objective metaheuristic techniques, such as the well-known NSGA-II and MOPSO. In particular, the proposed framework suggests a great utility for the inventory optimization problem in multi-echelon supply chains, as well as for other logistics-related problems
Entwicklung einer CFD-Softwareumgebung für die Modellierung und Simulation numerischer Strömungsakustik auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern
No full textDie Belastung des Menschen durch Lärm nimmt stetig zu und hat sich in letzter Zeit zu einem massiven gesundheitsbelastenden und volkswirtschaftlichen Problem entwickelt. Technisch verursachte Geräusche, allen voran der Straßen-, Schienen-, und Flugverkehrslärm haben einen sehr großen Anteil an der täglichen Lärmbelastung. Gesetzesinitiativen, aber auch die wachsenden Ansprüche hinsichtlich einer leiseren Umwelt machen die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes zu einem marktentscheidenden qualitativen Merkmal. In der Produktentwicklung erfährt die Akustik somit immer mehr eine wachsende Priorisierung. Durch messtechnische und experimentelle Ansätze können jedoch die akustischen Eigen-schaften eines technischen Produktes erst in sehr späten Entwicklungsphasen ermittelt und verbessert werden. Numerische Ansätze dagegen ermöglichen bereits in der frühen, virtuellen Entwicklungsphase Aussagen über die spätere Funktionalität und technologische Eigenschaf-ten zu treffen.
Turbulenzbedingte Strömungsereignisse sind häufig die Ursache primärer Schallentwicklung. Eine intensive Betrachtung der aeroakustischen, aber auch der aerodynamischen Eigenschaf-ten eines technischen Produktes ist daher ausschlaggebend für das Erreichen der Qualitäts-ansprüche. Dies erfordert jedoch eine intensive Erforschung entsprechender Grundlagen und Methoden im experimentellen und numerischen Bereich. Numerische strömungsmechanische und -akustische Applikationen im wissenschaftlichen und ingenieurstechnischen Bereich sind komplexer physikalischer Natur und bedürfen einer meist sehr aufwendigen und ressourcen-intensiven Betrachtungsweise.
Die in dieser Arbeit verwendete Open Source Bibliothek OpenFOAM für numerische strö-mungsmechanische Simulationen besitzt die Fähigkeit komplexe strömungsmechanische Problemstellungen parallelisiert in High Performance Computing (HPC)-Umgebungen zu lö-sen. Durch die in dieser Arbeit erfolgten Implementierung akustischer Analogien nach Lighthill und Curle wird OpenFOAM um die numerische Berechnung von turbulenzbedingtem Schall erweitert. Auf Basis dieser akustischen Analogien werden die turbulenzbedingten akus-tischen Quellen der Strömung berechnet. Davon ausgehend wird die Ausbreitung der akusti-schen Störgrößen im akustischen Nahfeld auf ein und demselben strömungsmechanischen Netz berechnet und visualisiert. Die neuentwickelten Applikationslöser acousticFoam und acousticRhoFoam basieren auf den transienten Applikationslösern pisoFoam für inkom-pressible und rhoPimpleFoam für kompressible Strömungssimulationen.
Die erarbeiteten und vorgestellten Ansätze werden hinsichtlich ihrer Funktionalität und physi-kalischen Korrektheit mit Hilfe von allgemein bekannten aeroakustischen Benchmark-Testfäl-len validiert und verifiziert. Anschließend werden an einem realitätsnahen ingenieurstechni-schen Anwendungsfall die Eigenschaften der entwickelten Methode aufgezeigt und erörtert. Diese numerischen Ergebnisse werden auch durch experimentelle Ergebnisse aus durchge-führten Messungen des Strömungsgeräusches der Applikation abschließend verglichen und diskutiert.The human exposure to noise continues to grow and has recently developed into a massive problem adversely affecting health and economics. Man-made noise, especially road, rail and air traffic noise, make up a very large portion of the daily noise exposure. Legislative initiatives, as well as the growing demands regarding a quieter environment make the acoustic properties of a technical product into a market-critical qualitative characteristic. In product development, the acoustics are becoming a growing priority. The acoustic properties of a technological prod-uct, however can be determined and improved only at very late stages of development by measurements and experimental approaches. Numerical approaches, on the other hand, allow prediction about the future functionality and technological properties early in the virtual devel-opment phase.
Turbulence induced flow events are often sources of primary sound emission. An intensive analysis of the aeroacoustic, but also aerodynamic properties of a technical product is there-fore critical for the achievement of quality standards. However, this requires intensive explora-tion of appropriate principles and methods in experimental and numerical range. Computa-tional fluid mechanics and computational aeroacoustic applications in scientific and engineer-ing fields are of complex physical nature and usually require a very complex and resource-intensive approach.
The Open Source library framework OpenFOAM used in this work for computational fluid dynamic simulations has the ability to solve complex fluid dynamic problems in parallelized High Performance Computing (HPC) environments. By implementing the acoustic analogies of Lighthill and Curle OpenFOAM is extended to compute turbulence induced noise. Based on the computed values of the acoustic sources the propagation of the acoustic disturb-ances in the acoustic near field might be computed and visualized on one computation mesh only. The novel developed application solvers acousticFoam and acousticRhoFoam are based on the transient application solver pisoFoam for incompressible and rhoPimpleFoam for compressible fluid flow simulations.
The approaches here developed and presented are validated and verified in terms of their functionality and physical correctness with the help of well-known aeroacoustic benchmark test cases. The properties of the developed method are then shown and discussed within a realistic engineering application. These numerical results are also finally compared with experimental results from measurements made of the flow noise of this application
A Framework for Generic and Energy Efficient Context Recognition for Personal Mobile Devices
No full textThe advancements in the field of mobile computing over the last decade have enabled the scientific community to expedite the theoretical and experimental work to achieve the vision of ubiquitous computing. As ubiquitous computing aims to provide seamless and distraction free task support to its users, one of the essential pieces of information required by the ubiquitous computing systems to do so is the context of its users. Context of a user can be defined as the information that describes the task the user is performing and the environment in which the user is currently present. Among various platforms that are commonly used to determine user's context, the personal mobile devices like smart phones stand out as one of the most widely used and widely evaluated ones.
However, despite numerous advantages that are provided by modern day personal mobile devices, such as high computational and communication capabilities, variety of on-board sensors to capture raw data related to user's motion and environment, high resolution displays to enable interaction with other services and systems, these devices suffer from limited battery resources. In contrast to the advancements in other domains, the advancements in the battery domain have not been up to the mark. Consequently, the context recognition applications developed for these devices suffer from the trade-off between achieving accuracy and longevity of other device's basic operations. As a result, most of the existing context recognition applications for these devices are fine tuned for specific context types and thereby lacks generality. The situation gets worse when a number of context recognition applications are executed simultaneously, thus competing for limited resources and consuming the device's battery additively.
To address the aforementioned issues, this thesis provides a generic and energy efficient context recognition framework for personal mobile devices. The main contribution consists of a generic framework to support development of context recognition applications supported by algorithms to achieve their energy efficient execution. The proposed framework consists of two systems namely the component system and the activation system. The component system allows developers to create context recognition applications using a component abstraction. This enables runtime analysis of applications' structures to adopt our novel energy efficiency mechanism. The activation system uses a state machine abstraction to allow context dependent activation of context recognition configurations pertaining to relevant user's tasks such that only needed configurations are executed to determine only the relevant context characteristics, thereby enabling energy efficiency. The activation system also provides generic applicability of four different energy efficiency techniques, already used in different existing systems but mostly for specific context characteristics.
To aid rapid prototyping, both systems are equipped with off-line development tools. The tools include graphical editors and a component tool-kit. The graphical editors allow developers to create component configurations used by the component system and state machines used by the activation system. These editors enable developers to create component configurations and state machines by simply dragging, dropping and connecting different models used in our component and state machine abstractions. These tools also provide validation and code generation utilities. In addition to the graphical editor, the framework provides a component tool-kit which consists of a number of already implemented sensing, preprocessing and classification components which can be re-used in new applications.
In order to provide the energy efficient execution of context recognition applications, the thesis introduces a novel energy efficiency technique called configuration folding. Configuration folding analyses structures of simultaneously executing context recognition applications to identify redundant functionalities between them and as an output produces a single redundancy free context recognition configuration which holds the structural integrity of all applications. Consequently, the overall energy expenditure is reduced compared to the original expenditure when redundant functionalities are not removed. The experimental evaluation of configuration folding on test applications shows energy savings between 13 and 48 %. The thesis also investigates optimization possibilities in configuration folding in case the redundant functionalities between the applications differ in parametrization. Towards this end, the thesis identifies commonly used parameters in context recognition applications and defines relations between them. Finally, an extended version of configuration folding is introduced to handle the differences in parametrization. The evaluation of the extended version of configuration folding on test scenarios shows energy saving of up to 45%.
The contributions in this thesis have been evaluated extensively. The framework has been used in number of European Commission (EC) projects and in student projects and theses at the University of Duisburg-Essen, Germany. Using the component system and the activation system, a number of applications have been developed in those projects. Some of these applications include crowd density estimation in buses, bus ride detections, navigation application for buses in Madrid, user movement detection, user localization, fall detection application etc. Moreover, the component system, the activation system and the configuration folding technique have been published in different prestigious conferences and workshops
Optimisation of the application of technologies for the production and use of bio-methane as component in a sustainable energy system
No full textIn der vorliegenden Arbeit sind die verfügbaren Potenziale an Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in Deutschland mit den ökologischen und ökonomischen Kenndaten (THG-Emissionsfaktoren und Gas-Gestehungskosten) sowohl statisch für das Bezugsjahr 2010 als auch im mittel- bis langfristigen Ausblick untersucht worden (Teilmodell I).
Zudem ist ein Abgleich der verschiedenen Einsatzbereiche von Biomethan erfolgt, um vor dem Hintergrund des sich ebenfalls dynamisch entwickelnden Energiesystems zu ermitteln, durch welchen der Nutzungspfade (KWK, Strom, Wärme, Kraftstoff, Ersatz von Erdgas) sich der höchstmögliche Beitrag zum Klimaschutz durch die maximale Einsparung von Treibhausgasen (THG) erzielen lässt (Teilmodell II).
Teilmodell 1:
Die Produktion von Biogas und Biomethan sollte generell immer nach dem jeweils besten Stand der Technik betrieben werden, um THG-Emissionen etwa durch offene Gärrestlager, zu hohe diffuse Methanemissionen aus dem Fermenter oder Methanverluste bei der Aufbereitung zu vermeiden. Der Anbau der Substrate sollte zudem in regional angepassten Fruchtfolgen erfolgen.
Nach dem Stand der Technik (Bezugsjahr 2010) kann Biomethan auf Basis nachwachsender Rohstoffe in großmaßstäblichen, industriell geführten Anlagen mit einem THG-Emissionsfaktor von durchschnittlich rund 84 g CO2Äq/kWh Methan erzeugt werden, wenn Substrate aus regional angepassten Fruchtfolgen verwendet werden. Dieser Wert liegt um rund 20 % höher, als es bei Einsatz von ausschließlich Mais als gängigstem Substrat mit den geringsten THG-Emissionen der Fall wäre. Im Gegensatz zu einer „Monokultur Mais“ ist die Erzeugung von Biogassubstraten in regional angepassten Fruchtfolgen aber nicht mit zusätzlichen negativen Folgen im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft verbunden. Die Erzeugung der Substrate ist der Teil der technischen Prozesskette Biomethan, der die meisten THG-Emissionen verursacht.
Auf Basis einer eine Technologie-Lernkurve mit dem Lernfaktor FLCA wird abgeschätzt, dass sich der THG-Emissionsfaktor von Biomethan im Ausblick bis 2050 auf rund 40 % des Wertes von 2010 (2030: ca. 56 %) bzw. bis auf 34 g CO2Äq/kWh Methan (2030: 47 g CO2Äq/kWh Methan) reduziert.
Ausgehend von einer Einspeisekapazität von 0,25 Mrd.m3 Methan/a in 2010 können in 2050 über 20 Mrd.m3 Methan/a eingespeist werden. Die Mengenziele der Gasnetz-Zugangsverordnung werden mit 2,2 Mrd.m3 Methan/a in 2020 und 6,2 Mrd.m3 Methan/a in 2030 allerdings zunächst verfehlt. Die erheblichen Steigerungen im Ausblick sind dabei unter anderem auf die angenommenen Ertragssteigerungen sowohl der konventionellen Landwirtschaft zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion als auch für Energiepflanzen zurückzuführen.
Teilmodell 2:
Bei der Erzeugung von Biomethan werden zunächst Treibhausgase freigesetzt. Durch den Ersatz von anderen, fossilen Energieträgern kann der Einsatz von Biomethan aber zum Klimaschutz durch THG-Vermeidung beitragen. Dies gilt in unterschiedlichem Maße, abhängig von den ersetzten Referenz-Technologien. Je höher die Emissionen, die durch das Referenzsystem verursacht werden, desto höher ist das Vermeidungspotenzial durch eine emissionsärmere Technik.
Die Wahl des Bezugssystems beeinflussen insbesondere im Ausblick das Ergebnis und damit die Einsatzpriorität. Durch geschickte Wahl des Referenzsystems ist es möglich, das Ergebnis der Einsatzpriorität für Biomethan mindestens in seiner Eindeutigkeit zu beeinflussen. In der wissenschaftlichen Debatte ist daher besonderer Wert auf Transparenz der Annahmen zu legen. Das gilt insbesondere für das Zusammenspiel der Strom- und Wärme-Referenz.
Der gezielte Einsatz von Biomethan in verschiedenen Sektoren unterscheidet sich deutlich positiv von dem reinen Ersatz von Erdgas als Energieträger. Das schlägt sich auch in den absoluten THG-Minderungen der Mengengerüste bis 2050 nieder: wird das zusätzliche Biomethan in KWK verstromt, können insgesamt rund 733 Mio. t CO2äq an Treibhausgasen über den Betrachtungszeitraum bis 2050 gespart werden, bei reinem Erdgasersatz sind es mit rund 600 Mio. t CO2äq etwa 20 % weniger.
Mittelfristig (bis etwa 2030) hat bei konsistentem Ansatz der Einsatz von Biomethan in der KWK die höchste Priorität, da hier die höchsten THG-Minderungen erreicht werden können; an zweiter Stelle steht der Einsatz als Kraftstoff. Sowohl die reine Verstromung ohne Wärmenutzung als auch die reine Wärmenutzung erzielen THG-Vermeidungen in sehr ähnlicher Größenordnung wie der Ersatz des Energieträgers Erdgas durch Biomethan. Langfristig (ab 2030 bis 2050) ist die Einsatzpriorität von KWK und Kraftstoffnutzung vertauscht. Die ungekoppelte Wärmebereitstellung bleibt vor dem Ersatz von Erdgas als Energieträger; die ungekopplte Stromerzeugung ist die schlechteste Option zur THG-Minderung
Facing the Faceless - On the Determinants and Effectiveness of Social Capital in the Labour Market
No full textRecruitment, which is the attraction and selection of qualified employees, is one of the major challenges of firms. In practice, both employers and employees lack relevant information about each other at the risk of a poor person-organisation (P-O) and/or person-job (P-J) fit. To overcome these mutual information asymmetries, labour market participants could utilise their social capital in the form of personal contacts to fill vacancies or find new jobs. In analogy to the concept of human capital as the embodiment of knowledge in an individual, Coleman (1988) defines social capital as the “structure of relations between actors and among actors”. Social capital could therefore serve as a superior means in the job search or recruitment process for both sides of the labour market compared to other search channels (e.g. printed or online adverts, employment agencies).
Albeit empirical research has addressed the relation between post-hire outcomes and recruitment channels, there are certain gaps in the literature this dissertation aims to fill. Based on data on the German labour market derived from the Socio-Economic Panel (SOEP), this dissertation investigates the following aspects:
First, determinants of recruitment channel usage are analysed. Second, outcomes of finding a job through social ties, e.g. wages, job satisfaction, and turnover, are investigated. Third, these two steps are integrated into one model to account for selection effects since finding a job through a given channel is unlikely to be random. In addition to this, it is elucidated whether personality traits (Big Five, locus of control, reciprocity) affect finding a job via social ties as well as post-hire outcomes. Fourth, search effort and outcomes of this search of unemployed job seekers is investigated. Finally, leisure time activities are interpreted as determinants of social capital generation and labour market outcomes of these activities are estimated