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Dr.-Ing. Lothar Fuchs vom itwh Hannover mit 13 Seiten (S. 57-69) Beitrag zum 1. Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft <1, 2007, Aachen> Zusammenfassung [des Autors] Die wesentlichen technischen Probleme der Kanalnetzbewirtschaftung sind gelöst. Der Markt bietet bewährte Messgeräte, Steuerungseinrichtungen, Datenübertragungs-, Regler- und Rechnersysteme, die sich für den Einsatz in der Stadtentwässerung eignen. Mit den heute existierenden Simulationsmodellen können die Auswirkungen von Bewirtschaftungssystemen abgeschätzt werden, bevor diese implementiert werden. Die für Bewirtschaftungssysteme notwendige Ausrüstung ist eine andere, als die traditionell in der Stadtentwässerung übliche. Sie erfordert in jedem Fall mehr und teureren Wartungsaufwand sowie anders ausgebildetes Personal. Bei einem Kostenvergleich mit konventionellen (d.h. ungesteuerten) Systemen muß die umfassende Information und Kontrolle des bewirtschafteten Systems berücksichtigt werden. Die permanente Information über den Betriebszustand sowie die in allen existierenden Bewirtschaftungssystemen erreichten Verminderungen von Regenentlastungen und (in geringerem Maße) hydraulischen Überlastungen lassen es geraten erscheinen, Kanalnetzbewirtschaftung nicht nur unter dem Gesichtspunkt der höheren Betriebskosten, sondern auch denen der möglich Einsparungen von Investitionen und der höheren Effizienz zu beurteilen. Analog lässt sich zeigen, dass bewirtschaftete Systeme kleiner ausgelegt werden können und dennoch die gleiche Effizienz besitzen wie größer dimensionierte, statisch wirkende Systeme.
GaAs-based Gunn diodes with graded AlGaAs hot electron injector heterostructures have been developed under the special needs in automotive applications. The fabrication of the Gunn diode chips was based on total substrate removal and processing of integrated Au heat sinks. Especially, the thermal and RF behavior of the diodes have been analyzed by DC, impedance and S-parameter measurements. The electrical investigations have revealed the functionality of the hot electron injector. An optimized layer structure could fulfill the requirements in adaptive cruise control (ACC) systems at 77 GHz with typical output power between 50 and 90 mW.
Bratnice
(2022)
Als Sohn meines Vaters und Enkelsohn meiner Großeltern war Slowenien immer Bestandteil meiner Sozialisation, ein unsichtbarer Teil, dem ich durch meine Fotografien auf der Reise nach „Bratnice“ eine Gestalt gegeben habe. Dabei handelt es sich um ein Dorf, indem meine Familie vor ungefähr 35 Jahren eine Holzhütte
unmittelbar in der Nähe der Geburtsstätte meines Großvaters errichtet hat. Ich begann den alten Geschichten Eigene hinzuzufügen, die alten Bilder um neue zu erweitern und Slowenien und die Menschen neu kennenzulernen. Dies heißt auch, mich zum Teil von den Vorstellungen meines Vaters und denen meiner Großeltern loszulösen. Meine eigene Auseinandersetzung mit der slowenischen – ehemals sozialistischen – Realität und dem kapitalistisch westlichen System ist eng verknüpft mit einer Untersuchung des Begriffs „Status“. Wie sind meine slowenischen und deutschen Wurzeln für mich vereinbar? Woher kommt das Streben nach den einschlägigen Statussymbolen und sind materielle Vorstellungen immer noch prägend?
Theoretische Grundlagen, Grundlagen der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, Aufbau und Funktion von Laser-Bearbeitungsanlagen, Laserstrahl-Schneiden, Laserstrahl-Schweißen, Laserstrahl-Bohren, Beschriften und Markieren mit dem Laser, Oberflächenveredeln mit dem Laser, Lasersicherheit, Umweltschutz
Lasermesstechnik 1
(2005)
Lasermesstechnik 2
(2005)
Grundlagen der Rapid Prototyping-Verfahren Industrielle Rapid Prototyping Verfahren: Stereolithographie (SL), Lasersintern (SLS), Schicht- (Laminat) Verfahren (LLM), Extrusions-Verfahren (FLM), 3D-Printing (3DP) Abformverfahren und Folgeprozesse: Vakuumgießen, Gießharz-Werkzeuge, Vorserienwerkzeuge aus Aluminium
Rapid Prototyping Technology: Types of models, rapid prototyping processes, prototyper Fundamentals of rapid prototyping Industrial rapid prototyping technology: Stereolithography, (Selective) laser sintering ((S)LS), Layer laminate manufacturing (LLM), Fused layer modeling (FLM), Three dimensional printing (3DP)
Prinzip und Geschichte der Regelungstechnik; technische Steuerungen und Regelungen; Definition und Stellung innerhalb der Automatisierungstechnik. Elementare Übertragungsglieder, Streckentypen, typische Regler (unstetige Regler, stetige Regler), Reglerentwurf (einfache Verfahren, einschließlich Faustformelverfahren). Stabilitätsanalyse von Regelkreisen (einfache Verfahren, ohne Herleitung der Beweise)
Digitale Regelungstechnik
(2005)
Fuzzy Regelung
(2005)
Überblick Fuzzy-Regler, Fuzzy Sets (Scharfe Mengen, Fuzzy Sets, Formen (stückweise linear, gaußförmig, glockenförmig), Eigenschaften (Gleichheit, Teilmenge)), Fuzzy Operatoren (NICHT, UND, ODER) Fuzzyfizierung Inferenzen (Verarbeitungsvorschrift, Ermittlung der aktiven Regeln, Ermittlung der Fuzzy Mengen, Überlagerung) Defuzzyfizierung (Mean-of-Maximum, Center-of-Gravity, Largest-of-Maximum, Smallest-of-Maximum, Center-of-Singletons) Entwurf, Beispiel, Fuzzy Tools, Internet, Literatur
Table of contents 1. Introduction 2. Multi-level Technology Transfer Infrastructure 2.1 Level 1: University Education – Encourage the Idea of becoming an Entrepreneur 2.2 Level 2: Post Graduate Education – Improve your skills and focus it on a product family. 2.3 Level 3: Birth of a Company – Focus your skills on a product and a market segment. 2.4 Level 4: Ready to stand alone – Set up your own business 2.5 Level 5: Grow to be Strong – Develop your business 2.6 Level 6: Competitive and independent – Stay innovative. 3. Samples 3.1 Sample 1: Laser Processing and Consulting Centre, LBBZ 3.2 Sample 2: Prototyping Centre, CP 4. Funding - Waste money or even lost Money? 5. Conclusion
Table of Contents Introduction 1. Generative Manufacturing Processes 2. Classification of Generative Manufacturing Processes 3. Application of Generative Processes on the Fabrication of Ceramic Parts 3.1 Extrusion 3.2 3D-Printing 3.3 Sintering – Laser Sintering 3.4 Layer-Laminate Processes 3.5 Stereolithography (sometimes written: Stereo Lithography) 4. Layer Milling 5. Conclusion - Vision
Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien.
Die generative Herstellung von Kunststoffbauteilen hat im Gewand des Rapid Prototyping die Produktentwicklung nachhaltig positiv beeinflusst und ist im Begriff als Rapid Manufacturing die Fertigung zu revolutionieren. Je mehr sich die besonderen Eigenschaften generativ gefertigter Kunststoffbauteile herumsprechen, desto lauter wird der Ruf nach Metallbauteilen. Die Entwicklung entsprechender Prozesse läuft auf Hochtouren, kann aber bisher aber erst vereinzelt Erfolge vorweisen. Dabei wären es gerade die Metallbauteile, die ausgestattet mit den besonderen Merkmalen generativ gefertigter Werkstücke, in vielen Branchen einen deutlichen Entwicklungsschub auslösen könnten. Für den potenziellen Anwender ist dabei besonders verwirrend, dass die unterschiedlichsten Ansätze nebeneinander verfolgt werden. Im Folgenden soll daher der Versuche unternommen werden, dieses weite Feld systematisiert darzustellen und Möglichkeiten und Trends zu erläutern.
Als um 1987 ein Verfahren namens Stereolithographie und ein Stereolithography Apparatus (SLA) vorgestellt wurden, war der Traum von der Herstellung beliebiger dreidimensionaler Bauteile direkt aus Computerdaten und ohne bauteilspezifische Werkzeuge Realität geworden. Ein Anwendungs-Szenario wurde gleich mitgeliefert. Diese Technologie würde es möglich machen, die gesamte Ersatzteilversorgung der Amerikanischen Pazifikflotte mittels ein paar dieser Maschinen, umfangreicher Datenstätze und genügend Rohmaterial vor Ort auf einem Flugzeugträger direkt nach Bedarf zu fertigen. Diese Vorstellung definierte schon damals die direkte digitale Fertigung, das Rapid Manufacturing. In der Realität bestanden die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile nur aus Kunststoff, waren ungenau, bruchempfindlich und klebrig und allein in der Produktentwicklung, eben als Prototypen zu benutzen. Sie waren schnell verfügbar, weil zu Ihrer Herstellung keine Werkzeuge benötigt wurden. Folgerichtige und zudem modern hießen sie: Rapid Prototyping. Rapid Prototyping wurde schnell zum Synonym eines neuen Zweiges der Fertigungstechnik, der Generativen Fertigungstechnik. Die weitere Entwicklung brachte neue Verfahren, höhere Genauigkeiten, verbesserte Werkstoffe und neue Anwendungen. Die Herstellung von Negativen, also Werkzeugen, mit dem gleichen Verfahren wurde marketing-getrieben Rapid Tooling genannt und als die ersten Bauteile nicht mehr als Prototypen, sondern als Endprodukte eingesetzt wurden, nannte man dies Rapid Manufacturing - das Ziel war erreicht. War das Ziel wirklich erreicht? Ist es Rapid Manufacturing, wenn ein generativ gefertigtes Bauteil die gewünschte Spezifikation erreicht? Was muss passieren, damit aus dem Phänomen Rapid Prototyping eine Strategie wird, die geeignet ist, einen Paradigmenwechsel von der heutigen Hersteller-induzierten Massenproduktion von Massenartikeln zur Verbraucher-induzierten (und verantworteten) Massenproduktion von Einzelteilen für jedermann ermöglichen und möglicherweise unsere Arbeits- und Lebensformen tiefgreifend zu beeinflussen? Im Beitrag wird der Begriff der (Fertigungs-) Strategie „Rapid Manufacturing“ näher beleuchtet. Es wird diskutiert, welche Maßnahmen auf der technischen und der operative Ebene getroffen werden müssen, damit die generative Fertigungstechnik im Sinne dieser Strategie umgesetzt werden kann. Beispiele belegen, dass diese Entwicklung bereits begonnen hat und geben Anregungen für eine konstruktive Diskussion auf der RapidTech 2006.
Die Berechnung der Durchströmung von Bauteilen ist gegenüber derjenigen von umströmten Bauteilen deutlich im Hintertreffen. Das liegt vor allem an der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter optisch transparenter Modellkanäle für die experimentelle Analyse. Der Beitrag stellt ein Verfahren zur Herstellung transparenter durchströmter Geometrien auf der Basis generativ gefertigter Urmodelle vor. Damit können beliebig komplexe Innenströmungen optisch analysiert werden. Anhand von zwei Beispielen aus der Medizin, der Modellierung der oberen Atemwege und des Bronchialbaums, wird das Verfahren vorgeführt. Der generative Bauprozess mittels 3D-Printing wird beschrieben und die Abformung in transparentem Silikon gezeigt. Schließlich werden beispielhaft der Messaufbau und Ergebnisse der Anwendung vorgestellt. Das Verfahren bildet die Grundlage für die Analyse und Berechnung komplexer Innenströmungen und trägt somit zur Verbesserung zahlreicher technischer Anwendungen bei.
Physische Prototypen, also Anschauungs- und Funktionsmodelle nach den generativen oder Rapid Prototyping (RP) Verfahren haben sich in diesem Zusammenhang vor allem als Hilfsmittel zur effektiven Kommunikation und zur Evaluierung von Produkteigenschaften einen festen Platz in der Produktentstehung erworben. Die positiven Effekte der etablierten RP Verfahren sind unumstritten. Einfachere, schnellere und wirtschaftlichere Maschinen (Prototyper, Fabrikator), vor allem auch für die Büroumgebung, geben neue Impulse im Sinne der Optimierung der heutigen Verfahren. Eine neue Dimension verspricht die Option „Farbe“ der bisher fast ausschließlich monochromen Modelle. Ist Farbe nur „nice to have“ oder welchen Effekt haben farbige Modelle als Werkzeug von Konstrukteuren und Produktenwicklern? Welche Perspektiven bietet „Farbe“ darüber hinaus?
„Gynaika“ – ist griechisch und bedeutet Frau, Frausein. Das Frausein stellt besonders in der Medizin und der Forschung ein Problem dar. Ihre Gesundheit leidet unter der Gleichbehandlung in der Medizin, da die Beschwerden von Frauen zu häufig nicht beachtet werden und undiagnostiziert bleiben. Das medizinisch fundierte Magazin ""Gynaika"" soll über Erkrankungen bei Frauen aufklären, die Leser:innen zu einer Diagnose und guten Behandlung verhelfen. Beschreibung der Erkrankung, Erklärungen zum Ablauf im Körper und Behandlungsmöglichkeiten stehen neben neusten Studien und Erfahrungen von Betroffenen an erster Stelle. Die Informationen werden durch erklärende Einschübe sowie anschauliche Illustrationen und Grafiken begleitet. Ziel ist es, mehr Aufmerksamkeit auf die Notwendigkeit einer Ungleichbehandlung der Geschlechter in der Medizin zu ziehen.
Aufgrund von weltweit verhängten Reisebeschränkungen und der Angst vor Ansteckung mit Covid-19 entschieden sich viele Touristen, ihren Urlaub 2020 ausfallen zu lassen. Die weltweite Corona-Pandemie hat insbesondere die italienische Tourismusbranche schwer getroffen und die Übernachtungszahlen innerhalb kürzester Zeit zu einem erheblichen Einbruch gebracht – so auch auf der beliebten Mittelmeerinsel Sardinien. Um weiteren schwerwiegenden wirtschaftlichen Schäden frühestmöglich entgegenzuwirken, soll ein klar kommunizierendes Gestaltungskonzept, das in all seinen Facetten von Sardinien und dessen zahlreichen Vorzügen inspiriert ist, einen erfolgreichen Neustart nach der Corona-Krise für die Insel einleiten. Das neue Erscheinungsbild der Tourismusmarke basiert unter anderem grundlegend auf typografischen Gestaltungselementen wie der eigens entwickelten Corporate Font „Sardegna Hybrid“.
Diese Studie beschäftigte sich mit der Dämpfungswirkung von Schienbeinschonern, wie sie beim Fußball zum Einsatz kommen. Sie wurde mit Hilfe eines Pendelhammers durchgeführt, der verschiedene Aufschlagkräfte auf die Schoner ermöglichte. Dabei wurde deutlich, dass Schienbeinschoner die beste Wirkung bei Maximalkräften unterhalb von 5kN erreichen können, dass bei größerer Belastung allerdings Verbesserungsbedarf besteht. Hierfür konnte, u.a. durch den Einsatz neuer Materialien, ein guter Ansatzpunkt im „adäquaten Zusammenspiel von Schale und Polsterung“ der Schoner gefunden werden. Die Untersuchung hat weiterhin gezeigt, dass zumindest teilweise eine deutliche Verbesserung der Dämpfungswirkung der Schienbeinschoner in den letzten Jahren erreicht werden konnte.
A method for detecting and approximating fault lines or surfaces, respectively, or decision curves in two and three dimensions with guaranteed accuracy is presented. Reformulated as a classification problem, our method starts from a set of scattered points along with the corresponding classification algorithm to construct a representation of a decision curve by points with prescribed maximal distance to the true decision curve. Hereby, our algorithm ensures that the representing point set covers the decision curve in its entire extent and features local refinement based on the geometric properties of the decision curve. We demonstrate applications of our method to problems related to the detection of faults, to multi-criteria decision aid and, in combination with Kirsch’s factorization method, to solving an inverse acoustic scattering problem. In all applications we considered in this work, our method requires significantly less pointwise classifications than previously employed algorithms.
Reliable automation of the labor-intensive manual task of scoring animal sleep can facilitate the analysis of long-term sleep studies. In recent years, deep-learning-based systems, which learn optimal features from the data, increased scoring accuracies for the classical sleep stages of Wake, REM, and Non-REM. Meanwhile, it has been recognized that the statistics of transitional stages such as pre-REM, found between Non-REM and REM, may hold additional insight into the physiology of sleep and are now under vivid investigation. We propose a classification system based on a simple neural network architecture that scores the classical stages as well as pre-REM sleep in mice. When restricted to the classical stages, the optimized network showed state-of-the-art classification performance with an out-of-sample F1 score of 0.95 in male C57BL/6J mice. When unrestricted, the network showed lower F1 scores on pre-REM (0.5) compared to the classical stages. The result is comparable to previous attempts to score transitional stages in other species such as transition sleep in rats or N1 sleep in humans. Nevertheless, we observed that the sequence of predictions including pre-REM typically transitioned from Non-REM to REM reflecting sleep dynamics observed by human scorers. Our findings provide further evidence for the difficulty of scoring transitional sleep stages, likely because such stages of sleep are under-represented in typical data sets or show large inter-scorer variability. We further provide our source code and an online platform to run predictions with our trained network.
Depressed Furniture ist eine abstrakte Übersetzung von Depressionen in Möblierung. Es handelt sich um eine Rauminstallation von fünf Leuchten, die der Erkrankung in einem unüblichen Kontext eine Plattform gibt. Dadurch stellt das Projekt eine Schnittstelle zwischen Kunst, Design und Gesellschaft dar. Jede Leuchte verkörpert eine Empfindung, mit der sich ein Großteil der Betroffenen identifizieren kann. Es wird Bewusstsein für die Komplexität der Krankheit geschaffen und das Tabu um mentale Krankheiten gebrochen. Neben der Regular Collection können auch Tischvarianten (Compact Collection) erworben werden. Depressed Furniture zeigt, dass es durchaus möglich ist, eine unschöne Thematik zu abstrahieren und ihr neutral zu begegnen. Es verdeutlicht, wie Design dazu beitragen kann, sensible Themen auf kreative Weise zu kommunizieren.
aco : eine digitale Anwendung zur Verbesserung der Lebensqualität
von Neurodermitis-Patient:innen
(2022)
Neurodermitis hat in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen. Etwa 10 bis 15 Prozent der Kinder und 2,5 bis 3,5 Prozent der Erwachsenen sind davon betroffen. Für sie stellen Auswirkungen der Hautkrankheit auf Körper und Psyche eine enorme Einschränkung der Lebensqualität dar.
Die App „aco“ möchte Neurodermitis-Patient:Innen dabei unterstützen, ihre Behandlung selbst in die Hand zu nehmen. Eine ganzheitliche Therapie umfasst eben nicht nur Fachpersonen, sondern auch Patient:Innen selbst. Durch eine regelmäßige Dokumentation ermöglicht die Anwendung eine aktive Auseinandersetzung mit der Krankheit. Triggerfaktoren werden ausgewertet und es wird Wissen über Behandlungsmöglichkeiten vermittelt. Zudem wird ein Austausch ermöglicht, der emotionale und praktische Unterstützung bieten soll. Damit möchte „aco“ Betroffenen eine Möglichkeit geben, das Ruder selbst in die Hand zu nehmen und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Therapie von Neurodermitis.
Nach einer wahren Begebenheit nimmt der Kurzfilm den Zuschauer mit in das Erlebnis zweier Kinder eines Luftangriffes während des Zweiten Weltkriegs: "Es ist 1944, in Deutschland wütet der Zweite Weltkrieg. Horst und Elli erledigen gerade mit ihrer Tante die Einkäufe, als plötzlich die Sirenen aufheulen. Die Drei rennen auf schnellstem Weg zurück zum Dorf, um sich in den sicheren Luftschutzkeller zu flüchten. Doch in der Hektik werden die Kinder von ihrer Tante getrennt und als die ersten Bomben fallen, sind die Beiden noch lange nicht am Bunker angelangt. Geistesgegenwärtig reagiert Horst und rettet so ihrer beider Leben. Bevor weitere Bomben einschlagen, erreichen die Kinder endlich den sicheren Luftschutzkeller."
The paper presents the derivation of a new equivalent skin friction coefficient for estimating the parasitic drag of short-to-medium range fixed-wing unmanned aircraft. The new coefficient is derived from an aerodynamic analysis of ten different unmanned aircraft used for surveillance, reconnaissance, and search and rescue missions. The aircraft is simulated using a validated unsteady Reynolds-averaged Navier Stokes approach. The UAV’s parasitic drag is significantly influenced by the presence of miscellaneous components like fixed landing gears or electro-optical sensor turrets. These components are responsible for almost half of an unmanned aircraft’s total parasitic drag. The new equivalent skin friction coefficient accounts for these effects and is significantly higher compared to other aircraft categories. It is used to initially size an unmanned aircraft for a typical reconnaissance mission. The improved parasitic drag estimation yields a much heavier unmanned aircraft when compared to the sizing results using available drag data of manned aircraft.
The Passivhaus building standard is a concept developed for the realization of energy-efficient and economical buildings with a simultaneous high utilization comfort under European climate conditions. Major elements of the Passivhaus concept are a high thermal insulation of the external walls, the use of heat and/or solar shading glazing as well as an airtight building envelope in combination with energy-efficient technical building installations and heating or cooling generators, such as an efficient energy-recovery in the building air-conditioning. The objective of this research project is the inquiry to determine the parameters or constraints under which the Passivhaus concept can be implemented under the arid climate conditions in the Arabian Peninsula to achieve an energy-efficient and economical building with high utilization comfort. In cooperation between the Qatar Green Building Council (QGBC), Barwa Real Estate (BRE) and Kahramaa the first Passivhaus was constructed in Qatar and on the Arabian Peninsula in 2013. The Solar-Institut Jülich of Aachen University of Applied Science supports the Qatar Green Building Council with a dynamic building and equipment simulation of the Passivhaus and the neighbouring reference building. This includes simulation studies with different component configurations for the building envelope and different control strategies for heating or cooling systems as well as the air conditioning of buildings to find an energetic-economical optimum. Part of these analyses is the evaluation of the energy efficiency of the used energy recovery system in the Passivhaus air-conditioning and identification of possible energy-saving effects by the use of a bypass function integrated in the heat exchanger. In this way it is expected that on an annual basis the complete electricity demand of the building can be covered by the roof-integrated PV generator.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit dem Corporate Design des aufstrebenden Startups "CoArea". Seine innovative Plattform vermittelt ungenutzte Flächen im urbanen Raum und bringt Flächenbedarf und -bereitstellung intelligent zusammen. Die Arbeit untersucht, wie das Erscheinungsbild von CoArea das Unternehmen als modern, nachhaltig und ressourcenschonend positioniert. Durch das neu gestaltete Corporate Design wird diese besondere Herangehensweise zur effizienten Nutzung begrenzter Ressourcen unserer Umwelt durch CoArea deutlich und nach außen getragen. CoArea strebt danach, die positive Entwicklung der Städte voranzutreiben und die soziale Nachhaltigkeit durch den Austausch und die Interaktion zwischen verschiedenen Menschen und Gemeinschaften zu fördern.
N-Acyl-amino acids can act as mild biobased surfactants, which are used, e.g., in baby shampoos. However, their chemical synthesis needs acyl chlorides and does not meet sustainability criteria. Thus, the identification of biocatalysts to develop greener synthesis routes is desirable. We describe a novel aminoacylase from Paraburkholderia monticola DSM 100849 (PmAcy) which was identified, cloned, and evaluated for its N-acyl-amino acid synthesis potential. Soluble protein was obtained by expression in lactose autoinduction medium and co-expression of molecular chaperones GroEL/S. Strep-tag affinity purification enriched the enzyme 16-fold and yielded 15 mg pure enzyme from 100 mL of culture. Biochemical characterization revealed that PmAcy possesses beneficial traits for industrial application like high temperature and pH-stability. A heat activation of PmAcy was observed upon incubation at temperatures up to 80 °C. Hydrolytic activity of PmAcy was detected with several N-acyl-amino acids as substrates and exhibited the highest conversion rate of 773 U/mg with N-lauroyl-L-alanine at 75 °C. The enzyme preferred long-chain acyl-amino-acids and displayed hardly any activity with acetyl-amino acids. PmAcy was also capable of N-acyl-amino acid synthesis with good conversion rates. The best synthesis results were obtained with the cationic L-amino acids L-arginine and L-lysine as well as with L-leucine and L-phenylalanine. Exemplarily, L-phenylalanine was acylated with fatty acids of chain lengths from C8 to C18 with conversion rates of up to 75%. N-lauroyl-L-phenylalanine was purified by precipitation, and the structure of the reaction product was verified by LC–MS and NMR.
Amino acid-based surfactants are valuable compounds for cosmetic formulations. The chemical synthesis of acyl-amino acids is conventionally performed by the Schotten-Baumann reaction using fatty acyl chlorides, but aminoacylases have also been investigated for use in biocatalytic synthesis with free fatty acids. Aminoacylases and their properties are diverse; they belong to different peptidase families and show differences in substrate specificity and biocatalytic potential. Bacterial aminoacylases capable of synthesis have been isolated from Burkholderia, Mycolicibacterium, and Streptomyces. Although several proteases and peptidases from S. griseus have been described, no aminoacylases from this species have been identified yet. In this study, we investigated two novel enzymes produced by S. griseus DSM 40236ᵀ . We identified and cloned the respective genes and recombinantly expressed an α-aminoacylase (EC 3.5.1.14), designated SgAA, and an ε-lysine acylase (EC 3.5.1.17), designated SgELA, in S. lividans TK23. The purified aminoacylase SgAA was biochemically characterized, focusing on its hydrolytic activity to determine temperature- and pH optima and stabilities. The aminoacylase could hydrolyze various acetyl-amino acids at the Nα -position with a broad specificity regarding the sidechain. Substrates with longer acyl chains, like lauroyl-amino acids, were hydrolyzed to a lesser extent. Purified aminoacylase SgELA specific for the hydrolysis of Nε -acetyl-L-lysine was unstable and lost its enzymatic activity upon storage for a longer period but could initially be characterized. The pH optimum of SgELA was pH 8.0. While synthesis of acyl-amino acids was not observed with SgELA, SgAA catalyzed the synthesis of lauroyl-methionine.
Background
Aminoacylases are highly promising enzymes for the green synthesis of acyl-amino acids, potentially replacing the environmentally harmful Schotten-Baumann reaction. Long-chain acyl-amino acids can serve as strong surfactants and emulsifiers, with application in cosmetic industries. Heterologous expression of these enzymes, however, is often hampered, limiting their use in industrial processes.
Results
We identified a novel mycobacterial aminoacylase gene from Mycolicibacterium smegmatis MKD 8, cloned and expressed it in Escherichia coli and Vibrio natriegens using the T7 overexpression system. The recombinant enzyme was prone to aggregate as inclusion bodies, and while V. natriegens Vmax™ could produce soluble aminoacylase upon induction with isopropyl β-d-1-thiogalactopyranoside (IPTG), E. coli BL21 (DE3) needed autoinduction with lactose to produce soluble recombinant protein. We successfully conducted a chaperone co-expression study in both organisms to further enhance aminoacylase production and found that overexpression of chaperones GroEL/S enhanced aminoacylase activity in the cell-free extract 1.8-fold in V. natriegens and E. coli. Eventually, E. coli ArcticExpress™ (DE3), which co-expresses cold-adapted chaperonins Cpn60/10 from Oleispira antarctica, cultivated at 12 °C, rendered the most suitable expression system for this aminoacylase and exhibited twice the aminoacylase activity in the cell-free extract compared to E. coli BL21 (DE3) with GroEL/S co-expression at 20 °C. The purified aminoacylase was characterized based on hydrolytic activities, being most stable and active at pH 7.0, with a maximum activity at 70 °C, and stability at 40 °C and pH 7.0 for 5 days. The aminoacylase strongly prefers short-chain acyl-amino acids with smaller, hydrophobic amino acid residues. Several long-chain amino acids were fairly accepted in hydrolysis as well, especially N-lauroyl-L-methionine. To initially evaluate the relevance of this aminoacylase for the synthesis of N-acyl-amino acids, we demonstrated that lauroyl-methionine can be synthesized from lauric acid and methionine in an aqueous system.
Conclusion
Our results suggest that the recombinant enzyme is well suited for synthesis reactions and will thus be further investigated.