University of Kaiserslautern
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Mainstreaming von Biodiversität: Verankerung im Unternehmenssektor
Get PDFIn dieser Masterarbeit wird näher untersucht, welche Rahmenbedingungen
von politischer Seite geschaffen werden müssen, damit das Mainstreaming von Biodiversität in der Breite des Unternehmenssektors erreicht und Biodiversitätsbelange ein Teil von Unternehmensprozessen, -entscheidungen und -strategien werden können. Da in der EU bereits umfassende politische Maßnahmen im Bereich Nachhaltigkeit und Klimaschutz bestehen, wird die Fragestellung am Beispiel der EU betrachtet.
Hierzu werden der aktuelle Stand des Mainstreamings von Biodiversität im Unternehmenssektor der EU erhoben, die Stärken und Schwächen der Maßnahmen sowie des derzeitigen Policy Mixes diskutiert und schließlich Handlungsempfehlungen für politische Entscheidungsträger abgeleitet
Deciphering the mechanism of glutaredoxin-catalyzed roGFP2 redox sensing reveals a ternary complex with glutathione for protein disulfide reduction
Get PDFGlutaredoxins catalyze the reduction of disulfides and are key players in redox metabolism and regulation. While important insights were gained regarding the reduction of glutathione disulfide substrates, the mechanism of non-glutathione disulfide reduction remains highly debated. Here we determined the rate constants for the individual redox reactions between PfGrx, a model glutaredoxin from Plasmodium falciparum, and redox-sensitive green fluorescent protein 2 (roGFP2), a model substrate and versatile tool for intracellular redox measurements. We show that the PfGrx-catalyzed oxidation of roGFP2 occurs via a monothiol mechanism and is up to three orders of magnitude faster when roGFP2 and PfGrx are fused. The oxidation kinetics of roGFP2-PfGrx fusion constructs reflect at physiological GSSG concentrations the glutathionylation kinetics of the glutaredoxin moiety, thus allowing intracellular structure-function analysis. Reduction of the roGFP2 disulfide occurs via a monothiol mechanism and involves a ternary complex with GSH and PfGrx. Our study provides the mechanistic basis for understanding roGFP2 redox sensing and challenges previous mechanisms for protein disulfide reduction
Semi-natural habitats are key to breeding bird diversity in intensified vineyard landscapes across Europe
Get PDFIn climatically suitable regions across Europe, vineyards can be the dominant perennial crop type. While many wine-growing landscapes are intensively managed, they may still be an attractive habitat for a wide range of bird species. In this study we investigated how breeding birds in three wine-growing regions in Europe (Germany: Palatinate, France: Bordeaux, Austria: Leithaberg) are influenced by the composition of the landscape, focussing on woody semi-natural vegetation.
We recorded bird vocalizations with autonomous sound recorders in 93 landscapes across Europe. Bird species were identified according to their songs and calls. The landscape in a 200-m buffer around the recording points was mapped. In total, we recorded 72 bird species, including species typical for vineyard landscapes such as cirl bunting (Emberiza cirlus), hoopoe (Upupa epops) and turtle dove (Streptopelia turtur). For all three countries we found that an increase in overall woody vegetation in the landscape led to an increase in species richness and altered community composition. Most species were recorded in landscapes with abundant hedges, small woods and tree rows rather than in vineyard-dominated landscapes but e.g. woodlark (Lullula arborea) and linnet (Linaria cannabina) showed an opposite preference.
We conclude that in intensively used wine-growing landscapes the ongoing decline in farmland birds and the ecosystem services they provide can be reversed by the reintroduction of semi-natural woody vegetation between vineyards. These in frequently many cases linear structural elements can be established included in the landscape with only small losses in production area
Towards bioprocess engineering of cable bacteria: Establishment of a synthetic sediment
Get PDFCable bacteria, characterized by their multicellular filamentous growth, are prevalent in both freshwater and marine sediments. They possess the unique ability to transport electrons over distances of centimeters. Coupled with their capacity to fix CO2 and their record-breaking conductivity for biological materials, these bacteria present promising prospects for bioprocess engineering, including potential electrochemical applications. However, the cultivation of cable bacteria has been limited to their natural sediment, constraining their utility in production processes. To address this, our study designs synthetic sediment, drawing on ion exchange chromatography data from natural sediments and existing literature on the requirements of cable bacteria. We examined the effects of varying bentonite concentrations on water retention and the impacts of different sands. For the first time, we cultivated cable bacteria on synthetic sediment, specifically the freshwater strain Electronema aureum GS. This cultivation was conducted over 10 weeks in a specially developed sediment bioreactor, resulting in an increased density of cable bacteria in the sediment and growth up to a depth of 5 cm. The creation of this synthetic sediment paves the way for the reproducible cultivation of cable bacteria. It also opens up possibilities for future process scale-up using readily available components. This advancement holds significant implications for the broader field of bioprocess engineering
EFFects of Exposure and Cognitive behavioral Therapy for chronic BACK pain (“EFFECT-BACK”): study protocol for a randomized controlled trial
Get PDFIntroduction
Chronic back pain is a widespread medical condition associated with high socioeconomic costs and increasing prevalence. Despite the advanced implementation of multidisciplinary approaches, providing a satisfactory treatment offer for those affected is often not possible. Exposure therapy (EXP) promises to be an effective and economical form of treatment and in a previous pilot study showed to be superior to cognitive behavioral therapy (CBT) in reducing perceived limitations of movement. The current study aims to further compare the efficacy of both treatment methods and identify those patient groups that particularly benefit from EXP.
Methods
The general objective of this randomized multicenter clinical trial (targeted N = 380) is to improve and expand the range of treatments available to patients with chronic back pain. As the primary objective of the study, two different psychological treatments (EXP and CBT) will be compared. The primary outcome measure is a clinically significant improvement in pain-related impairment, measured by the QPBDS, from baseline to 6-month follow-up. Secondary outcome measures are absolute changes and clinically significant improvements in variables coping, psychological flexibility, depressiveness, catastrophizing, exercise avoidance and fear of exercise, and intensity of pain. Participants are recruited in five psychological and medical centers in Germany and receive ten sessions of manualized therapy by trained licensed CBT therapists or clinical psychologists, who are currently in their post-gradual CBT training. Potential predictors of each treatment’s efficacy will be explored with a focus on avoidance and coping behavior.
Conclusion
This study will be the first RCT to compare CBT and EXP in chronic back pain in a large sample, including patients from different care structures due to psychological and medical recruitment centers. By identifying and exploring potential predictors of symptom improvement in each treatment group, this study will contribute to enable a more individualized assignment to treatment modalities and thus improves the care situation for chronic back pain and helps to create a customized treatment program for subgroups of pain patients. If our findings confirm EXP to be an efficacious and efficient treatment concept, it should gain more attention and be further disseminated
Pyrolyse von Biomasse zur Unterstützung der Wärmewende im ländlichen Raum
Get PDFDer Wärmewende und der Abkehr von fossilen Energieträgern kommt gegenwärtig ein zentraler Stellenwert in der politischen Agenda zu. Die Herausforderung liegt insbesondere darin, Unabhängigkeit von Erdöl und Erdgas liefernden Staaten zu erreichen und klimaschädliche Technologien zu substituieren.
Chancen und Risiken aus Pflanzenverkohlung mittels Pyrolyseheizkesseln wurden im Hinblick auf deren Beitrag im Rahmen verschiedener Themen betrachtet werden. Hier könnte eine Kombination aus fossilfreier Nahwärmeversorgung, Nutzung nachwachsender regionaler Rohstoffe, Sequestrierung von atmosphärischem Kohlenstoff, Einflüsse auf die Qualität landwirtschaftlicher Böden durch Einbringen von Biokohle sinnvoll sein. Konkret wurde dies modellhaft anhand eines Biomasse-Nahwärmeprojekts einer kleinen Kommune in Oberbayern untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Einflüsse dieser Technologie auf Treibhausgasemissionen in der Wärmewende, die Erfüllung von SDG-Indikatoren sowie Möglichkeiten, Pyrolysatoren ökonomisch kompetitiv zu gängigen Biomasseheizkesseln betreiben zu können, untersucht
Mögliche Auswirkungen kollegialer Beratung auf die lernende Organisation
Get PDFIn einer zunehmend vernetzten und globaler werdenden Welt, deren Umgebung von erhöhter Volatilität, Unsicherheit, Komplexität und Ambiguität (VUKA) geprägt ist, sind wir alle auf effektive und effiziente Organisationen angewiesen. Die Fähigkeit, adäquate Lösungen für die dringendsten Probleme unserer Epoche zu finden, hängt maßgeblich von adaptiven Organisationen und den in ihr tätigen Menschen ab (vgl. Erhardt & Elbe, 2018, S. 1f.).
Ein wichtiger Faktor ist hierbei der Umgang mit Wissen. Durch den rasanten Anstieg neuen Wissens und der steigenden Komplexität der Außenwelt stehen Organisationen vor der Herausforderung, darauf zu reagieren oder im Optimalfall präventiv Strukturen dafür zu schaffen. Es braucht Wege, vorhandenes Wissen kooperativ zu teilen, neues Wissen zu erwerben und dieses miteinander zu verknüpfen, um in der Lage zu sein, komplexe Problemstellungen lösen zu können. Mitglieder einer Organisation sind dabei voneinander abhängig (vgl. Schermuly, 2019, S. 33-36).
Ein weiterer Faktor ist die Lernfähigkeit einer ganzen Organisation. Wer in diesem Umfeld an der Spitze sein will, muss es schaffen, Lernen sowohl auf individueller als auch auf Gruppen- sowie Organisationsebene zu kultivieren. Gelingt dies, so spricht man von einer „Lernenden Organisation“ (Senge 2011) (vgl. Senge, 2011, S. 13).
Die Kollegiale Beratung stellt in diesem Kontext eines der Werkzeuge im Werkzeugkoffer der Organisationsentwicklung – genauer der Personalentwicklung – dar, welches die Möglichkeit in sich trägt, auf systematische Weise das Wissen mehrerer Personen für ein aktuelles Anliegen eines Einzelnen nutzbar zu machen. Neben der Beratung durch Führungskräfte und die direkten Kollegen gibt es damit eine weitere Option, die eigene Sicht auf einen konkreten persönlichen Fall strukturiert zu reflektieren. Kollegiale Beratung geht über individuelles Lernen hinaus. Es handelt sich um eine Form des Gruppenlernens, welches das Potenzial in sich trägt, die Kultur einer Organisation mitzuprägen (vgl. Tietze, 2003, S. 24-38)
Der Import von virtuellem Wasser aus wasserknappen Regionen am Beispiel des Avocado-Anbaus in Chile: Herausforderungen und Lösungsansätze auf EU-Ebene
Get PDFDie globalen Süßwasserressourcen sind äußerst ungleich verteilt und stehen zunehmend unter Druck. Übernutzung, Verunreinigung, schlechtes Management sowie die Auswirkungen des Klimawandels verschärfen die Probleme zusätzlich. Die Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Imports von virtuellem Wasser aus wasserknappen Regionen und hat die Formulierung von Handlungsempfehlungen an die Europäische Union zwecks Begrenzung dieser negativen Auswirkungen zum Ziel. Anhand des Fallbeispiels des Avocado-Anbaus in Chile wird analysiert, welche (negativen) Auswirkungen ein Import von virtuellem Wasser aus wasserknappen Regionen mit sich bringt. Der Avocado-Anbau in Chile ist für die Arbeit besonders geeignet, da die Frucht außerordentlich hohe Mengen an virtuellem Wasser enthält und es sich bei Chile nicht per se um ein wasserarmes Land handelt. Vielmehr sind die „ausgetrockneten“ Regionen mit ihren schwerwiegenden Folgen für die lokale Bevölkerung und die Umwelt Resultat eines massiven Anbaus von Avocados gepaart mit einer hohen internationalen Nachfrage, schwachen staatlichen Institutionen sowie einer Privatisierung und einem unzureichenden Management der Ressource Wasser. Mit Hilfe des Fallbeispiels werden Diskrepanzen zwischen den international selbst auferlegten Verpflichtungen, anerkannten Zielen und den tatsächlichen Praktiken der Europäischen Union eruiert. Diese bilden unter zusätzlicher Einbeziehung der zu Beginn der Arbeit dargestellten theoretisch-konzeptionellen Grundlagen die Basis für Handlungsempfehlungen an die Europäische Union
Optimization based Algorithms for Task Planning and Predictive Motion Control in Robotics
Get PDFSince their introduction, robots have primarily influenced the industrial world, providing new opportunities and challenges for humans and machinery. With the introduction of lightweight robots and mobile robot platforms, the field of robot applications has been expanded, diversified, and brought closer to society. The increased degree of digitalization and the personalization of goods and products require an enhanced and flexible robot deployment by operating several multi-robot systems along production processes, industrial applications, assembly and packaging lines, transport systems, etc.
Efficient and safe robot operation relies on successful task planning followed by the computation and execution of task-performing motion trajectories. This thesis addresses these issues by developing, implementing, and validating optimization-based methods for task and trajectory planning in robotics, considering certain optimality and performance criteria. The focus is mainly on the time optimality of the presented approaches with respect to both execution and computation time without compromising safe robot use.
Driven by a systematic approach, the basis for the algorithm development is established first by modeling the kinematics and dynamics of the considered robots and identifying required dynamic parameters. In a further step, time-optimal task and trajectory planning algorithms for a single robotic arm are developed. Initially, a hierarchical approach is introduced consisting of two decoupled optimization-based control policies, a binary problem for task planning, and a continuous model predictive trajectory planning problem. The two layers of the hierarchical structure are then merged into a monolithic layer, resulting in a hybrid structure in the form of a mixed-integer optimization problem for inherent task and trajectory planning.
Motivated by a multi-robot deployment, the hierarchical control structure for time-optimal task and trajectory planning is extended for the case of a two-arm robotic system with highly overlapping operational spaces, leading to challenging robot motions with high inter-robot collision potential. To this end, a novel predictive approach for collision avoidance is proposed based on a continuous approximation of the robot geometry, resulting in a nonlinear optimization problem capable of online applications with real-time requirements. Towards a mobile and flexible robot platform, a model predictive path-following controller for an omnidirectional mobile robot is introduced. Here, a time-minimal approach is also applied, which consists of the robot following a given parameterized path as accurately as possible and at maximum speed.
The performance of the proposed algorithms and methods is experimentally analyzed and validated under real conditions on robot demonstrators. Implementation details, including the resulting hardware and software architecture, are presented, followed by a detailed description of the results. Concrete and industry-oriented demonstrators for integrating robotic arms in existing manual processes and the indoor navigation of a mobile robot complete the work.Roboter haben seit deren Einführung die Industriewelt weitgehend geprägt und für Mensch und Maschine neue Möglichkeiten und Herausforderungen geschaffen. Mit der Einführung von Leichtbaurobotern und mobilen Roboterplattformen wurde das Robotereinsatzgebiet erweitert, diversifiziert und näher an die Gesellschaft herangeführt. Der zunehmende Digitalisierungsgrad und die Personalisierung von Waren und Gütern erfordern einen steigernden und flexiblen Robotereinsatz, auch durch den Betrieb von Multirobotersystemen entlang von Produktionsprozessen, industriellen Anwendungen, Montage- und Verpackungslinien, Transportsystemen usw.
Ein effizienter und sicherer Roboterbetrieb stützt sich auf eine erfolgreiche Aufgabenplanung gefolgt von der Berechnung und Ausführung von aufgabengerechten Trajektorien. In dieser Hinsicht befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung, Implementierung und Validierung von optimierungsbasierten Methoden zur Aufgaben- und Trajektorienplanung unter Berücksichtigung von gewissen Optimalitäts- und Performancekriterien. Der Fokus liegt dabei vor allem auf der Zeitoptimalität sowohl hinsichtlich der Ausführungs- als auch der Berechnungszeit, ohne den sicheren Robotereinsatz zu beeinträchtigen.
Getrieben durch einen systematischen Ansatz wird durch die Modellierung der Kinematik und Dynamik der Roboter und der Identifikation von dynamischen Parametern die Grundlage für die Algorithmenentwicklung geschaffen. In einem ersten Schritt wird für einen Roboterarm eine hierarchische Regelungsstruktur vorgeschlagen, bestehend aus zwei entkoppelten zeitoptimalen Optimierungsproblemen, einem binären zur Aufgabenplanung und einem kontinuierlichen modellprädiktiven Trajektorienplanungsproblem. Anschließend werden beide Ebenen des hierarchischen Ansatzes zu einer monolithischen Einheit zusammengeführt was in einer hybriden Struktur in Form eines gemischt ganzzahligen Optimierungsproblems für inhärente Aufgaben- und Trajektorienplanung resultiert.
Motiviert durch einen Multirobotereinsatz wird für ein zweiarmiges Robotersystem mit stark überlappenden Arbeitsbereichen ein zeitoptimaler Algorithmus nach dem Schema der hierarchischen Struktur entwickelt. Für die Kollisionsvermeidung zwischen den Roboterarmen wird ein neuartiger prädiktiver Ansatz vorgeschlagen, der auf eine kontinuierliche Approximation der Robotergeometrie aufbaut und in einem nichtlinearen Optimierungsproblem fähig für den Einsatz in Onlineanwendungen mit Echtzeitanforderungen resultiert.
Auf dem Weg zu einer mobilen und flexiblen Roboterplattform wird ein modellprädiktiver Regler vorgestellt, mit dem ein omnidirektionaler mobiler Roboter einem vorgegebenen parametrisierten Pfad mit maximaler Geschwindigkeit folgen kann.
Die Performance der vorgeschlagenen Algorithmen wird auf Demonstratoren experimentell analysiert und validiert. Dabei werden stets Implementierungsdetails, einschließlich der Hard- und Softwarearchitektur präsentiert, gefolgt von einer ausführlichen Ergebnisbeschreibung. Konkrete und industrienahe Anwendungsfälle zur Integration von Roboterarmen in bestehende manuelle Prozesse und die Indoor-Navigation eines mobilen Roboters runden und schließen die Arbeit ab
Grundlagenstudie zur Tragfähigkeit von mit PTFE trockengeschmierten Schneckengetrieben
Get PDFSchneckengetriebe werden meist aus einer Stahlschnecke und einem Bronze-Schneckenrad gefertigt. Diese werden zur einstufigen Übertragung von Drehbewegungen bei hohen Übersetzungen eingesetzt. Einen Nachteil von Schneckengetrieben stellt der relativ hohe Verschleiß infolge der hohen Gleitreibung im Zahneingriff dar. Durch eine geeignete Schmierung können Reibung und Verschleiß reduziert werden. Dies reduziert den Temperaturanstieg
im Betrieb und führt somit zu einer längeren Lebensdauer des Getriebes. Aufgrund der ausgeprägten Kühlwirkung erfolgt die Schmierung von Schneckengetrieben in der Praxis überwiegend mit Schmierölen. Fettartige Schmierstoffe werden ebenfalls verwendet, weisen jedoch eine geringere Kühlwirkung als flüssige Schmierstoffe auf. Bei Vakuumanwendungen oder unter extremen Betriebsbedingungen, wie z.B. Hoch- oder Tieftemperaturanwendungen
sowie bei niedrigen hydrodynamischen Geschwindigkeiten, verlieren die oben genannten konventionellen Schmierstoffe ihre Schmierwirkung. Als Alternative
werden Festschmierstoffe eingesetzt.
Festschmierstoffe können im Allgemeinen auf verschiedene Weise in den Kontaktstellen von Maschinenelementen verwendet werden. In dieser Arbeit wird das Prinzip der Transferschmierung durch ein Opferbauteil eingesetzt. Hierbei werden Compounds aus strahlenmodifiziertem Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyamid (PA) als Opferbauteil im Schneckengetriebe verwendet, sodass die Stahlschnecke zeitgleich mit dem Bronze-Schneckenrad und dem Opferrad aus PA-PTFE-Compound im Zahneingriff steht. Durch die Belastung des Opferrades mit einem relativ kleinen Drehmoment verschleißt das Opferrad, wodurch der PTFE-Festschmierstoff freigesetzt und an der Stahloberfläche deponiert wird. Dies führt zur Bildung eines Transferfilms, welcher zur Schmierung des Kontakts
zwischen der Stahlschnecke und dem Bronze-Schneckenrad führt. Die Mechanismen des Auf- und Abbaus solcher Transferfilme in Schneckengetrieben sind derzeit unbekannt und werden in dieser Arbeit anhand experimenteller Untersuchungen erforscht. Hierzu wurden tribologische Versuche an Modellprüfständen durchgeführt, wodurch das reib- und Verschleißverhalten an Stahl-Bronze-Kontakten untersucht wurde. Als Modellprüfstände kamen der Block-auf-Ring-, der Block-Zwei-Scheiben- und der Drei-Scheiben-Prüfstand zum Einsatz. Anschließend wurden Bauteilversuche auf einem Schneckengetriebeprüfstand durchgeführt, um die aus den Modellversuchen gewonnenen Erkenntnisse zu validieren. Mit Hilfe von oberflächenanalytischen Techniken wurden die Prüfkörper auf der Mikroskala untersucht, um die Qualität und Quantität des aufgebauten Transferfilms zu bestimmen