620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Collaboration is an important 21st Century skill. Co-located (or face-to-face) collaboration (CC) analytics gained momentum with the advent of sensor technology. Most of these works have used the audio modality to detect the quality of CC. The CC quality can be detected from simple indicators of collaboration such as total speaking time or complex indicators like synchrony in the rise and fall of the average pitch. Most studies in the past focused on “how group members talk” (i.e., spectral, temporal features of audio like pitch) and not “what they talk”. The “what” of the conversations is more overt contrary to the “how” of the conversations. Very few studies studied “what” group members talk about, and these studies were lab based showing a representative overview of specific words as topic clusters instead of analysing the richness of the content of the conversations by understanding the linkage between these words. To overcome this, we made a starting step in this technical paper based on field trials to prototype a tool to move towards automatic collaboration analytics. We designed a technical setup to collect, process and visualize audio data automatically. The data collection took place while a board game was played among the university staff with pre-assigned roles to create awareness of the connection between learning analytics and learning design. We not only did a word-level analysis of the conversations, but also analysed the richness of these conversations by visualizing the strength of the linkage between these words and phrases interactively. In this visualization, we used a network graph to visualize turn taking exchange between different roles along with the word-level and phrase-level analysis. We also used centrality measures to understand the network graph further based on how much words have hold over the network of words and how influential are certain words. Finally, we found that this approach had certain limitations in terms of automation in speaker diarization (i.e., who spoke when) and text data pre-processing. Therefore, we concluded that even though the technical setup was partially automated, it is a way forward to understand the richness of the conversations between different roles and makes a significant step towards automatic collaboration analytics.
Organ-on-a-chip technology has the potential to accelerate pharmaceutical drug development, improve the clinical translation of basic research, and provide personalized intervention strategies. In the last decade, big pharma has engaged in many academic research cooperations to develop organ-on-a-chip systems for future drug discoveries. Although most organ-on-a-chip systems present proof-of-concept studies, miniaturized organ systems still need to demonstrate translational relevance and predictive power in clinical and pharmaceutical settings. This review explores whether microfluidic technology succeeded in paving the way for developing physiologically relevant human in vitro models for pharmacology and toxicology in biomedical research within the last decade. Individual organ-on-a-chip systems are discussed, focusing on relevant applications and highlighting their ability to tackle current challenges in pharmacological research.
High-temperature tolerant enzymes offer multiple advantages over enzymes from mesophilic organisms for the industrial production of sustainable chemicals due to high specific activities and stabilities towards fluctuations in pH, heat, and organic solvents. The production of molecular hydrogen (H2) is of particular interest because of the multiple uses of hydrogen in energy and chemicals applications, and the ability of hydrogenase enzymes to reduce protons to H2 at a cathode. We examined the activity of Hydrogen-Dependent CO2 Reductase (HDCR) from the thermophilic bacterium Thermoanaerobacter kivui when immobilized in a redox polymer, cobaltocene-functionalized polyallylamine (Cc-PAA), on a cathode for enzyme-mediated H2 formation from electricity. The presence of Cc-PAA increased reductive current density 340-fold when used on an electrode with HDCR at 40 °C, reaching unprecedented current densities of up to 3 mA·cm−2 with minimal overpotential and high faradaic efficiency. In contrast to other hydrogenases, T. kivui HDCR showed substantial reversibility of CO-dependent inactivation, revealing an opportunity for usage in gas mixtures containing CO, such as syngas. This study highlights the important potential of combining redox polymers with novel enzymes from thermophiles for enhanced electrosynthesis.
High shares of intermittent renewable power generation in a European electricity system will require flexible backup power generation on the dominant diurnal, synoptic, and seasonal weather timescales. The same three timescales are already covered by today’s dispatchable electricity generation facilities, which are able to follow the typical load variations on the intra-day, intra-week, and seasonal timescales. This work aims to quantify the changing demand for those three backup flexibility classes in emerging large-scale electricity systems, as they transform from low to high shares of variable renewable power generation. A weather-driven modelling is used, which aggregates eight years of wind and solar power generation data as well as load data over Germany and Europe, and splits the backup system required to cover the residual load into three flexibility classes distinguished by their respective maximum rates of change of power output. This modelling shows that the slowly flexible backup system is dominant at low renewable shares, but its optimized capacity decreases and drops close to zero once the average renewable power generation exceeds 50% of the mean load. The medium flexible backup capacities increase for modest renewable shares, peak at around a 40% renewable share, and then continuously decrease to almost zero once the average renewable power generation becomes larger than 100% of the mean load. The dispatch capacity of the highly flexible backup system becomes dominant for renewable shares beyond 50%, and reach their maximum around a 70% renewable share. For renewable shares above 70% the highly flexible backup capacity in Germany remains at its maximum, whereas it decreases again for Europe. This indicates that for highly renewable large-scale electricity systems the total required backup capacity can only be reduced if countries share their excess generation and backup power.
Aufbauend auf einer Literaturanalyse wird der derzeitige technische Entwicklungsstand im Bereich der Energierückgewinnung aus dem Siedlungsabwasser skizziert. Neben der Wärmerückgewinnung, die sowohl im Kanalnetz als auch dezentral in Gebäuden möglich ist, wurde die Biogasgewinnung sowohl auf Aerobkläranlagen als auch in Anaerobanlagen und die anschließende Aufbereitung der Klärgase in Erdgasqualität ebenso diskutiert wie die Nutzung von Schlämmen als Brennmaterial. Die Darstellung des derzeitigen Entwicklungsstandes half dabei, mögliche Entwicklungsaufgaben zu identifizieren, die einerseits vordringlich erlauben könnten, Abwasser künftig als Energieressource zu betrachten, und deren Lösung andererseits besonders innovative Leistungen erfordern. Die Entwicklungsaufgaben wurden thesenhaft zugespitzt, um so anschließend in einer Delphi-Befragung überprüft zu werden.
Aufbauend auf einer Literaturanalyse wird der derzeitige technische Entwicklungsstand im Bereich der Wiedergewinnung von Phosphat und Stickstoffverbindungen aus dem häuslichen Abwasser skizziert: Neben der (chemischen) Wiedergewinnung aus dem Abwasser und der Verwendung von Anaerobverfahren sowie die Wiedergewinnung aus Klärschlamm ist auch die Bewässerung mit Abwasser, die Kompostierung sowie die Fraktionierung von Abwasser („Gelbwasser“) eine Möglichkeit zur besseren Ausnutzung der Nährstoffgehalte des Abwassers. Der erzielte Überblick über den derzeitigen Stand der Nährstoffrückgewinnung diente dazu, mögliche Entwicklungsaufgaben zu identifizieren, die einerseits vordringlich (insbesondere zur Lösung globaler Probleme, z.B. zur Beendigung des Ressourcenmangels) erscheinen und deren Lösung andererseits besonders innovative Leistungen erfordern. Die Entwicklungsaufgaben wurden thesenhaft zugespitzt, um so anschließend in einer Delphi-Befragung überprüft werden zu können.
Aufbauend auf einer Literaturanalyse wird der derzeitige technische Entwicklungsstand im Bereich des Grauwasserrecyclings skizziert. Neben mechanisch-biologische Anlagen treten vereinzelt Membranfilteranlagen, aber auch „Low-Tech“-Anlagen. Der Überblick half, mögliche Entwicklungsaufgaben zu identifizieren, die einerseits vordringlich (insbesondere zur Lösung künftiger Wassermengenprobleme) erscheinen und deren Lösung andererseits besonders innovative Leistungen erfordern. Die Entwicklungsaufgaben wurden thesenhaft zugespitzt, um so anschließend in einer Delphi-Befragung überprüft werden zu können.
Zur Erkundung der Depotfunktion von quellfähigen Tonmineralen für organische Umweltchemikalien und der möglichen Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside wurden kinetische Untersuchungen mit Hilfe von Batch-Experimenten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von ausgesuchten Umweltchemikalien an mineralische Festphasen und danach die Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside untersucht. Als Umweltchemikalien dienten in den Experimenten Di-(n-butyl)phthalat (DBP) und Di-(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), die in industriellem Maßstab hauptsächlich als Weichmacher in Kunststoffen verwendet werden und fünf ausgewählte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die bei pyrolytischen Prozessen sowie der unvollständigen Verbrennung organischen Materials entstehen. In den durchgeführten Versuchsreihen dienten ein smektitreicher Bentonit, Quarzsand und Gemische aus diesen beiden Stoffen mit verschiedenen Gewichtsanteilen der Bentonit- und Sandphase sowie Seesand als Adsorbermedium für die Umweltchemikalien. Diese Variationen sollten das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Festphasen bezüglich der drei untersuchten Prozesse (Adsorption, Desorption und Austausch) mit den Chemikalien verdeutlichen. Untersuchungen am verwendeten Bentonit ergaben, daß sein Hauptbestandteil ein Calcium- Montmorillonit war. Der Montmorillonit ist ein quellfähiges, dioktaedrisches Tonmineral aus der Gruppe der Smektite. Die Quellfähigkeit dieses Smektits wurde in Quellversuchen mit Ethylenglykol und Glycerin mittels Röntgendiffraktometrie festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Minerals wurde mit Röntgenfluoreszenzmessungen analysiert. Mit dem Greene-Kelly-Test wurde der Montmorillonit als smektitischer Anteil im Bentonit identifiziert. Im Laufe einer jeden Versuchsreihe sind nacheinander drei Prozesse mit jeder Probe im Labor untersucht worden: 1. Adsorption von Umweltchemikalien (Phthalate und PAK) an Sandproben mit unterschiedlichen Tongehalten und an reinen Tonproben. 2. Desorption der adsorbierten Umweltchemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben in vier Schritten. 3. Austausch dieser Chemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben gegen biogene Tenside. Im ersten Schritt der Batch-Experimente wurden die beiden Phthalate bzw. die PAK (Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen) aus einer wässrigen Lösung an die mineralischen Festphasen adsorbiert. Die Phthalate wurden in einem 1:1 Verhältnis in den Experimenten eingesetzt, die fünf PAK als ein Gemisch oder auch einzeln. Für die PAKAdsorption wurde auch eine Wasser-Aceton-Mischung beim Adsorptionsversuch verwendet, da sich dadurch ihre Löslichkeit erheblich verbessern ließ und die kinetischen Reihenversuche bezüglich der Gleichgewichtseinstellung wesentlich gleichmäßiger verliefen. Die Proben wurden 20 Stunden lang bis zur Einstellung des Gleichgewichts im Überkopfmischer geschüttelt. Die festen Phasen wurden danach von den wässrigen Phasen getrennt und zur Ermittlung der Einstellung des Desorptionsgleichgewichts weiterverwendet. Die wässrigen Phasen wurden mit organischen Lösemitteln extrahiert und der Gehalt an Umweltchemikalien gaschromatographisch quantifiziert. Die verbliebenen Festphasen wurden jeweils viermal mit frischem, destilliertem Wasser 20 Stunden lang zur Ermittlung des Gleichgewichts der Desorption geschüttelt, wobei nach Abtrennung der wässrigen Phasen diese auf ihren Organikgehalt hin wie oben beschrieben untersucht wurden. An diese vier Desorptionsschritte schloß sich das Verdrängungsexperiment einer Versuchsreihe an. Hierbei wurden verseifte, langkettige biogene Tenside (Alkoholate und Carbonsäuresalze mit geradzahliger Anzahl der Kohlenstoffatome) zu jeder Probe hinzugegeben und jede Festphase nochmals mit frischem Wasser im Überkopfmischer geschüttelt. In diesem Schritt sollte überprüft werden, ob die in den Festphasen verbliebenen Phthalate und PAK durch Zugabe von biogenen Tensiden in höherem Maße in der wässrigen Phase wiedergefunden werden als dies aus dem jeweiligen Desorptionsgleichgewicht zu erwarten war. Mit den Ergebnissen konnten Adsorptionsisothermen (nur für Phthalate) aufgenommen und Angaben zur Einstellung des Desorptionsgleichgewichts oder dessen Störung nach Austauschexperimenten gemacht werden. Die Auswertung der Adsorptionsexperimente ergab, daß Festphasen mit Bentonitanteil befähigt sind, einen höheren Anteil an Phthalaten und PAK zu adsorbieren als reine Sandproben. Bei kleinen Phthalatkonzentrationen wurde DEHP aufgrund einer stärkeren Affinität zur Festphase besser adsorbiert als DBP. Stiegen die Phthalatzugaben, so wurde DBP in höherem Maße als DEHP adsorbiert. Dies wurde durch eine bessere Einlagerung der DBP-Moleküle in die innerkristallinen Zwischenschichten des Montmorillonit-Minerals ermöglicht (Interkalation). Röntgenographisch wurde ein deutlich vergrößerter Wert für den Schichtabstand im Montmorillonit nachgewiesen als im ursprünglichem Zustand (bis zu 18 Å gegenüber 15,3 Å). Die Desorptionsisothermen zeigten für Festphasen mit Quarzsandanteilen häufig ein ungleichmäßiges Verhalten. So wurde häufig im zweiten und dritten Desorptionsschritt eine unerwartet hohe Menge an Phthalaten in der wässrigen Lösung gefunden. Reine Bentonitproben zeigten dagegen eine gleichmäßige Konzentrationsabnahme der Phthalate nach jedem Desorptionsschritt. Der eingesetzte Bentonit war in der Lage, Phthalate stärker von der Desorption zurückzuhalten als Quarzsand. Die Einstellung des Desorptionsgleichgewichts erfolgte mit reinem Bentonit schneller als bei Sandproben oder Sand-Bentonit Gemischen. Bei Austauschexperimenten, in denen die ursprünglich eingesetzte Menge an Phthalaten unter 1 mg lag, wurden keine Verdrängungsprozesse festgestellt. Stiegen die Konzentrationen der Phthalate (bis zu ca. 200 mg), so kam es aufgrund der größeren Oberflächenbelegung im Montmorillonit zu Verdrängungsprozessen der Phthalate durch biogene Tenside. Die Extraktion der wässrigen Lösung ergab nach dem Austauschexperiment eine höhere Menge an Phthalaten als es aus dem Desorptionsexperimenten erwartet worden war. Insgesamt wurde mehr DBP als DEHP nach den Austauschexperimenten in der wässrigen Lösung gefunden. Da DBP besser als DEHP in die Zwischenschichten des Montmorillonits eingebaut wurde, konnte auch diese Feststellung damit erklärt werden, daß biogene Tenside die Phthalate aus den innerkristallinen Zwischenschichten verdrängen. Bei PAK wurden Verdrängungsprozesse nur im Falle von Phenanthren festgestellt. Bei anderen in den Experimenten eingesetzten PAK (vorwiegend Naphthalin, Acenaphthen und Fluoren) war offenbar der Dampfdruck so groß, daß vor dem Austauschexperiment nicht mehr genügend organisches Material in der Bodenprobe adsorbiert war. Bei parallel durchgeführten Versuchen mit reinem Quarzsand und mit Seesand als Festphase wurde dagegen weder bei Phthalaten noch PAK eine wesentliche Störung des Desorptionsgleichgewichts in der Größenordnung der bentonithaltigen Proben nach dem Verdrängungsexperiment festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß Verdrängungsprozesse bevorzugt auf Oberflächen von Tonmineralen stattfinden. Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, daß Gleichgewichtseinstellungen von Umweltchemikalien an Tonmineralen durch biogene Tenside gestört werden können. Durch die Einwirkung der biogenen Tenside kommt es zu einer verstärkten Desorption der Umweltchemikalien aus den Tonmineralen.