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Disruption experiments targeted at the Bacillus licheniformis degSU operon and GFP-reporter analysis provided evidence for promoter activity immediately upstream of degU. pMutin mediated concomitant introduction of the degU32 allele – known to cause hypersecretion in Bacillus subtilis – resulted in a marked increase in protease activity. Application of 5-fluorouracil based counterselection through establishment of a phosphoribosyltransferase deficient Δupp strain eventually facilitated the marker-free introduction of degU32 leading to further protease enhancement achieving levels as for hypersecreting wild strains in which degU was overexpressed. Surprisingly, deletion of rapG – known to interfere with DegU DNA-binding in B. subtilis – did not enhance protease production neither in the wild type nor in the degU32 strain. The combination of degU32 and Δupp counterselection in the type strain is not only equally effective as in hypersecreting wild strains with respect to protease production but furthermore facilitates genetic strain improvement aiming at biological containment and effectiveness of biotechnological processes.
Determination of the frictional coefficient of the implant-antler interface : experimental approach
(2012)
The similar bone structure of reindeer antler to human bone permits studying the osseointegration of dental implants in the jawbone. As the friction is one of the major factors that have a significant influence on the initial stability of immediately loaded dental implants, it is essential to define the frictional coefficient of the implant-antler interface. In this study, the kinetic frictional forces at the implant-antler interface were measured experimentally using an optomechanical setup and a stepping motor controller under different axial loads and sliding velocities. The corresponding mean values of the static and kinetic frictional coefficients were within the range of 0.5–0.7 and 0.3–0.5, respectively. An increase in the frictional forces with increasing applied axial loads was registered. The measurements showed an evidence of a decrease in the magnitude of the frictional coefficient with increasing sliding velocity. The results of this study provide a considerable assessment to clarify the suitable frictional coefficient to be used in the finite element contact analysis of antler specimens.
Spontaneous language has rarely been subjected to neuroimaging studies. This study therefore introduces a newly developed method for the analysis of linguistic phenomena observed in continuous language production during fMRI.
Most neuroimaging studies investigating language have so far focussed on single word or — to a smaller extent — sentence processing, mostly due to methodological considerations. Natural language production, however, is far more than the mere combination of words to larger units. Therefore, the present study aimed at relating brain activation to linguistic phenomena like word-finding difficulties or syntactic completeness in a continuous language fMRI paradigm. A picture description task with special constraints was used to provoke hesitation phenomena and speech errors. The transcribed speech sample was segmented into events of one second and each event was assigned to one category of a complex schema especially developed for this purpose. The main results were: conceptual planning engages bilateral activation of the precuneus. Successful lexical retrieval is accompanied – particularly in comparison to unsolved word-finding difficulties – by the left middle and superior temporal gyrus. Syntactic completeness is reflected in activation of the left inferior frontal gyrus (IFG) (area 44). In sum, the method has proven to be useful for investigating the neural correlates of lexical and syntactic phenomena in an overt picture description task. This opens up new prospects for the analysis of spontaneous language production during fMRI.
Field-effect capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) sensors functionalised with citrate-capped gold nanoparticles (AuNP) have been used for the electrostatic detection of macromolecules by their intrinsic molecular charge. The EIS sensor detects the charge changes in the AuNP/macromolecule hybrids induced by the adsorption or binding events. A feasibility of the proposed detection scheme has been exemplary demonstrated by realising EIS sensors for the detection of poly-D-lysine molecules.
Effectiveness of the edge-based smoothed finite element method applied to soft biological tissues
(2012)
The construction of a statistical test is investigated which is based only on “reliability” and “precision” as quality criteria. The reliability of a statistical test is quantifiedin a straightforward way by the probability that the decision of the test is correct. However, the quantification of the precision of a statistical test is not at all evident. Thereforethe paper presents and discusses several approaches. Moreover the distinction of “nullhypothesis” and “alternative hypothesis” is not necessary any longer.
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
In vitro studies of the degradation kinetic of biopolymers are essential for the design and optimization of implantable biomedical devices. In the presented work, a field-effect capacitive sensor has been applied for the real-time and in situ monitoring of degradation processes of biopolymers for the first time. The polymer-covered field-effect sensor is, in principle, capable to detect any changes in bulk, surface and interface properties of the polymer induced by degradation processes. The feasibility of this approach has been experimentally proven by using the commercially available biomedical polymer poly(D,L-lactic acid) (PDLLA) as a model system. PDLLA films of different thicknesses were deposited on the Ta₂O₅-gate surface of the field-effect structure from a polymer solution by means of spin-coating method. The polymer-modified field-effect sensors have been characterized by means of capacitance–voltage and impedance-spectroscopy method. The degradation of the PDLLA was accelerated by changing the degradation medium from neutral (pH 7.2) to alkaline (pH 9) condition, resulting in drastic changes in the capacitance and impedance spectra of the polymer-modified field-effect sensor.
Two types of microvalves based on temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and pH-responsive poly(sodium acrylate) (PSA) hydrogel films have been developed and tested. The PNIPAAm and PSA hydrogel films were prepared by means of in situ photopolymerization directly inside the fluidic channel of a microfluidic chip fabricated by combining Si and SU-8 technologies. The swelling/shrinking properties and height changes of the PNIPAAm and PSA films inside the fluidic channel were studied at temperatures of deionized water from 14 to 36 °C and different pH values (pH 3–12) of Titrisol buffer, respectively. Additionally, in separate experiments, the lower critical solution temperature (LCST) of the PNIPAAm hydrogel was investigated by means of a differential scanning calorimetry (DSC) and a surface plasmon resonance (SPR) method. Mass-flow measurements have shown the feasibility of the prepared hydrogel films to work as an on-chip integrated temperature- or pH-responsive microvalve capable to switch the flow channel on/off.
In this paper we present CAESAR, an intelligent domestic service robot. In domestic settings for service robots complex tasks have to be accomplished. Those tasks benefit from deliberation, from robust action execution and from flexible methods for human–robot interaction that account for qualitative notions used in natural language as well as human fallibility. Our robot CAESAR deploys AI techniques on several levels of its system architecture. On the low-level side, system modules for localization or navigation make, for instance, use of path-planning methods, heuristic search, and Bayesian filters. For face recognition and human–machine interaction, random trees and well-known methods from natural language processing are deployed. For deliberation, we use the robot programming and plan language READYLOG, which was developed for the high-level control of agents and robots; it allows combining programming the behaviour using planning to find a course of action. READYLOG is a variant of the robot programming language Golog. We extended READYLOG to be able to cope with qualitative notions of space frequently used by humans, such as “near” and “far”. This facilitates human–robot interaction by bridging the gap between human natural language and the numerical values needed by the robot. Further, we use READYLOG to increase the flexible interpretation of human commands with decision-theoretic planning. We give an overview of the different methods deployed in CAESAR and show the applicability of a system equipped with these AI techniques in domestic service robotics
Concentrating solar power
(2012)
With a steady increase of regulatory requirements for business processes, automation support of compliance management is a field garnering increasing attention in Information Systems research. Several approaches have been developed to support compliance checking of process models. One major challenge for such approaches is their ability to handle different modeling techniques and compliance rules in order to enable widespread adoption and application. Applying a structured literature search strategy, we reflect and discuss compliance-checking approaches in order to provide an insight into their generalizability and evaluation. The results imply that current approaches mainly focus on special modeling techniques and/or a restricted set of types of compliance rules. Most approaches abstain from real-world evaluation which raises the question of their practical applicability. Referring to the search results, we propose a roadmap for further research in model-based business process compliance checking.
Stahlbau
(2012)
Die fermentative Verwertung von Rohglycerin setzt je nach Herstellungsmethode und Produktionsorganismus eine Vorbehandlung des Glycerins zur Entfernung von Produktinhibitoren voraus. Durch den Einsatz von Hydrotalcit-Adsorbern können die im Rohglycerin enthaltenen Fettsäuren entfernt werden. Durch diese einfache Aufarbeitungsmethode ist ein mit reinem Glycerin vergleichbarer Umsatz von stark mit Fettsäuren verunreinigtem Rohglycerin zu 1,3-Propandiol (PDO) möglich. Die durch den Hydrotalcit gebundenen Fettsäuren lassen sich mit einem Ethanol-Wasser-Gemisch eluieren. Somit kann der Adsorber regeneriert und die Fettsäuren wieder der Wertschöpfungskette zugeführt werden. Im Fed-Batch-Experiment kann mit C. diolis eine PDO-Konzentration von über 50 g L⁻¹ unter Verwendung des aufgereinigten Rohglycerins erzielt werden. In der industriellen Produktion wird PDO momentan destillativ aufgearbeitet. Ein adsorptives Aufarbeitungsverfahren kann den Energiebedarf des Herstellungsprozesses drastisch senken. Auf der Suche nach einem geeigneten Material wurde ein Adsorberscreening in Bezug auf die Bindungseigenschaften durchgeführt. Mit einem b-Zeolith der Firma Süd ChemieAG konnte bisher die höchste Beladung im Modellsystem von 120 mg PDO/gAdsorber erreicht werden.
Label-free electrical detection of consecutive deoxyribonucleic acid (DNA) hybridization/denaturation by means of an array of individually addressable field-effect-based nanoplate silicon-on-insulator (SOI) capacitors modified with gold nanoparticles (Au-NP) is investigated. The proposed device detects charge changes on Au-NP/DNA hybrids induced by the hybridization or denaturation event. DNA hybridization was performed in a high ionic-strength solution to provide a high hybridization efficiency. On the other hand, to reduce the screening of the DNA charge by counter ions and to achieve a high sensitivity, the sensor signal induced by the hybridization and denaturation events was measured in a low ionic-strength solution. High sensor signals of about 120, 90, and 80 mV were registered after the DNA hybridization, denaturation, and re-hybridization events, respectively. Fluorescence microscopy has been applied as reference method to verify the DNA immobilization, hybridization, and denaturation processes. An electrostatic charge-plane model for potential changes at the gate surface of a nanoplate field-effect sensor induced by the DNA hybridization has been developed taking into account both the Debye length and the distance of the DNA charge from the gate surface.
The assessment of the right ventricle (RV) is a challenge in today's cardiology, but of growing clinical impact regarding patient prognosis in different cardiac diseases. The detection and differentiation of small wall motion abnormalities may help to enhance the differentiation of cardiomyopathies including Arrhythmogenic Rightventricular Cardiomyopathy. Cardiovascular magnetic resonance (CMR) at 1.5T is the accepted gold standard for RV quantification. The higher spatial resolution achievable at ultrahigh field strength (UHF) offers the potential to gain new insights into the structure and function of the RV. To approach this goal accurate RV chamber quantification at 7T has to be proven. Consequently this study examines the feasibility of assessment of RV dimensions and function at 7T using improved spatial resolution enabled by the intrinsic sensitivity gain of UHF CMR. For this purpose, a dedicated 16 channel TX/RX RF coil array is used together with 2D CINE fast gradient echo (FGRE) imaging. For comparison RV chamber quantification is conducted at 1.5T using a SSFP based state of the art clinical protocol.
Der Erhalt möglichst hoher Zuckerkonzentrationen für nachfolgende Fermentationen und eine Steigerung der Produktivität sind Ziele der Hydrolyse bei hohen Feststoffkonzentrationen im Rahmen des Projekts „Lignocellulose Bioraffinerie“. Verwendet wird durch ein Organosolv-Verfahren aufgeschlossenes Buchenholz. Die Hydrolyse des Faserstoffes erfolgt mithilfe von CTec2-Enzymen (Fa. Novozymes). Zurzeit können unter Einsatz eines neuen Feststoffreaktors Cellulosefasern in einer Konzentration bis 400 g L⁻¹ enzymatisch hydrolysiert werden. Dabei werden Ausbeuten (g Glucose/g Cellulose im Faserstoff) bis 0,86 g g⁻¹ und Glucosekonzentrationenvon 120 g L⁻¹ erreicht. Ein Nachteil ist jedoch die hierbei auftretende Abnahme der Hydrolyseausbeuten. Zahlreiche Limitierungen bezüglich der Hydrolysierbarkeit von Lignocellulose werden zurzeit diskutiert und publiziert. Ziel der Untersuchungen ist die Identifizierung hydrolysehemmender Substanzen sowie die Erhöhung der Ausbeute an Zuckermonomeren durch den Einsatz lignolytischer Enzyme. Hierbei wird eine HPLC-MS-Methode zur Charakterisierung hemmender Substanzen eingesetzt, um potenzielle Inhibitoren zu erfassen.
Die Lösungsmittelherstellung durch Clostridien konnte wirtschaftlich nicht mit der chemischen Synthese von Lösungsmitteln auf Erdölbasis konkurrieren und wurde in den frühen 1960er Jahren nahezu vollständig eingestellt. Das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen hat in den letzten Jahren zu einem Wiederaufleben der ABE-Fermentation geführt. Aufgrund seiner höheren Energiedichte im Vergleich zu Ethanol ist Biobutanol als Energieträgerbesonders interessant und bietet sich z. B. als Produkt einer Bioraffinerie der 2. Generation an. Für die beschriebenen Experimente wird durch das Organosolv-Verfahren aufgeschlossenes Buchenholz verwendet. Der Faserstoff wird mithilfe von CTec2-Enzymen hydrolysiert, wobei der erhaltene Überstand eine Glucosekonzentration von 66 g L⁻¹ aufweist. Auf der Basis dieses Materials können mit Clostridium acetobutylicum Butanol-Ausbeuten erzielt werden, die mit denen unter Verwendung von reinen Zuckern vergleichbar sind. Dem Problem der hohen Produktinhibierung wird mit einer In-situ-Produktaufarbeitung begegnet. Mithilfe von Lösungsmittelimprägnierten Partikeln (SIPs) kann die Produktausbeute drastisch gesteigert werden, indem die gebildeten Lösungsmittel durch das auf dem Partikel imprägnierte Lösungsmittel während der Fermentation extrahiert werden. Zudem wird hierdurch die weitere Produktaufarbeitungstark vereinfacht.
Real-time and reliable monitoring of the biogas process is crucial for a stable and efficient operation of biogas production in order to avoid digester breakdowns. The concentration of dissolved hydrogen (H₂) represents one of the key parameters for biogas process control. In this work, a one-chip integrated combined amperometric/field-effect sensor for monitoring the dissolved H₂ concentration has been developed for biogas applications. The combination of two different transducer principles might allow a more accurate and reliable measurement of dissolved H₂ as an early warning indicator of digester failures. The feasibility of the approach has been demonstrated by simultaneous amperometric/field-effect measurements of dissolved H₂ concentrations in electrolyte solutions. Both, the amperometric and the field-effect transducer show a linear response behaviour in the H₂ concentration range from 0.1 to 3% (v/v) with a slope of 198.4 ± 13.7 nA/% (v/v) and 14.9 ± 0.5 mV/% (v/v), respectively.
In der Molkeverarbeitung dominieren Membranfiltrationsverfahren die Prozessführung. Hierbei werden üblicherweise Aufkonzentrierungen der Proteine und deren Trennung von dem Milchzucker Lactose durchgeführt. Der Prozess der adsorptiven Aufreinigung soll als kostengünstige Alternative zu den bisher gebräuchlichen Verfahren dienen. Weiterhin eröffnet sich durch das Verfahren die Möglichkeit, einzelne Proteinfraktionen während der Verarbeitung anzureichern. Als Proteinquellen wurden für die Untersuchungen Modellproteine, Lösungen aus Molkenproteinisolat, Dünnmolke und Molkekonzentrat verwendet. Die Eignung zur Proteinbindung wurden an Tonmaterialien, Silicaten und y-Aluminiumoxiden in Pulverform, in Form von Granulaten sowie Extrudaten als auch sphärischen Partikeln überprüft. Adsorbentien aus Bentonit/Silica und c-Aluminiumoxid können sowohl a-Lactalbumin (aLA) als auch b-Lactoglobulin (bLG) binden, wohingegen Materialien aus Siliciumoxid lediglich ein starkes Adsorptionsverhalten gegenüber bLG zeigen. Mischmaterialien aus Siliciumoxid und a-Aluminiumoxid zeigen dasselbe Verhalten wie Materialien aus Siliciumoxid, weisen jedoch eine geringere Kapazität auf. Die Materialen wurden hinsichtlich ihres Einsatzes in chromatographischen Verfahren und Batch-Prozessen untersucht und ein Prozessentwurf für einen zweistufigen Batch-Prozess im Rührkessel erarbeitet.
Visual Virology
(2012)
Security Awareness ist derzeit ein viel diskutiertes Thema. Es reicht nicht, einfach nur ein paar technische Systeme (z.B. Firewalls) zu installieren, um ein angemessenes Schutzniveau zu erzielen. Neben einer guten Organisation von IT Security ist es auch notwendig, den Mitarbeiter einzubinden. Der vielzitierte "Faktor Mensch" ist derjenige, der die Technik korrekt anwenden muss und der durch falsches Verhalten technische und organisatorische Schutzmaßnahmen aushebeln kann. Deshalb reicht es nicht aus, wenn sich der Mitarbeiter der Gefahren bewusst ("aware") ist, er muss auch dementsprechend "sicher" handeln.
Cardiac MR (CMR) is of proven clinical value but also an area of vigorous ongoing research since image quality is not always exclusively defined by signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR). Recent developments of CMR at 7.0 T have been driven by pioneering explorations into novel multichannel transmit and receive coil array technology to tackle the challenges B1+-field inhomogeneities, to offset specific-absorption rate (SAR) constraints and to reduce banding artifacts in SSFP imaging. For this study, recognition of the benefits and performance of local surface Tx/Rx-array structures recently established at 7.0 T inspired migration to 3.0 T, where RF inhomogeneities and SAR limitations encountered in routine clinical CMR, though somewhat reduced versus the 7.0 T situation, remain significant. For all these reasons, this study was designed to build and examine the feasibility of a local four channel Tx/Rx cardiac coil array for anatomical and functional cardiac imaging at 3.0 T. For comparison, a homebuilt 4 channel Rx cardiac coil array exhibiting the same geometry as the Tx/Rx coil and a Rx surface coil array were used.
A magnetic resonance tomography (MRT) apparatus (1) for the examination of a body (14) comprises parameter acquisition devices (13) for the acquisition of cardiovascular parameters of the body (14) and a control device (15) in communication with the parameter acquisition devices (13) for synchronizing the imaging, wherein the control device (15) is adapted to analyse the data of at least two parameter acquisition devices (13) and to output a control signal based on the analysis.
Upper and lower bound theorems of limit analyses have been presented in part I of the paper. Part II starts with the finite element discretization of these theorems and demonstrates how both can be combined in a primal–dual optimization problem. This recently proposed numerical method is used to guide the development of a new class of closed-form limit loads for circumferential defects, which show that only large defects contribute to plastic collapse with a rapid loss of strength with increasing crack sizes. The formulae are compared with primal–dual FEM limit analyses and with burst tests. Even closer predictions are obtained with iterative limit load solutions for the von Mises yield function and for the Tresca yield function. Pressure loading of the faces of interior cracks in thick pipes reduces the collapse load of circumferential defects more than for axial flaws. Axial defects have been treated in part I of the paper.
Stahlbau
(2012)
Die Hochgradientenmagnetseparation (HGMS) ist eine Methode zur Aufreinigung von biopharmazeutischen Produkten. Mit dieser Methode lässt sich in nur einem Schritt eine Fest/Fest/Flüssig-Trennung erzielen, was zu einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis im Downstreaming führt. Dennoch steht ihr industrieller Einsatz noch aus, was u. a. am Mangel an Analysenmethoden liegt, um die HGMS quantifizierbar zu machen. Gerade in der Pharmaproduktion werden Prozesse gebraucht, die gemäß den einschlägigen Vorschriften (cGMP) validiert und deren verfahrenstechnische Anlagenteile qualifiziert werden können. Die Schwierigkeit ist die Messung der magnetischen Mikrosorbentien in der Suspension, in der auch Zellen oder Zelltrümmer vorliegen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes im „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand“ des BMWi wurden verschiedene Analysenmethoden untersucht. Die Durchflusszytometrie ermöglicht eine Charakterisierung von Partikeln und eine simultane quantitative Messung. Durch die multiparametrige Messung kann zwischen Zellen, Zelltrümmern und Magnetpartikeln unterschieden werden. Die At-line-Einbindung des Durchflusszytometers ist durch den Einsatz einer externen Pumpe möglich. Über eine automatisierte Messwertanalyse kann der HGMS-Prozess mittels der Durchflusszytometrie gesteuert werden.
Auch mit der jüngsten Finanzkrise hat die Konsumkultur nichts von ihrer Bedeutung als massenkulturelles Phänomen eingebüßt. Im Gegenteil: Das aktuelle Krisenbewusstsein sucht Halt im Konsum, der seinen Verfechtern noch immer als Modell demokratischer Teilhabe an gesellschaftlicher Produktion gilt. Zugleich ist die Konsumkritik der 1960er Jahre in Richtung eines intelligenten und nachhaltigen Konsums weitergeführt worden, und selbstbewusste Konsumenten treten nun als emanzipierte »Prosumer« und Mitakteure des Marktes auf. Das Buch entwickelt aus Sicht von Design, Kunst, Soziologie, Marketing und Medien neue Perspektiven auf das Phänomen Konsum.
South Africa in recent years is the establishment of a number of research hubs involved in AI activities ranging from mobile robotics and computational intelligence, to knowledge representation and reasoning, and human language technologies. In this survey we take the reader through a quick tour of the research being conducted at these hubs, and touch on an initiative to maintain and extend the current level of interest in AI research in the country.