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Validation of a novel method for detecting and stabilizing malfunctioning areas in fuel cell stacks
(2014)
In this paper a setup for detecting malfunctioning areas of MEAs in fuel cell stacks is described. Malfunctioning areas generate electric cross currents inside bipolar plates. To exploit this we suggest bipolar plates consisting not of two but of three layers. The third one is a highly conducting layer and segmented such that the cross currents move along the segments to the surface of the stack where they can be measured by an inductive sensor. With this information a realistic model can be used to detect the malfunctioning area. Furthermore the third layer will prevent any current inhomogeneity of a malfunctioning cell to spread to neighbouring cells in the stack. In this work the results of measurements in a realistic cell setup will be compared with the results obtained in simulation studies with the same configuration. The basis for the comparison is the reliable characterisation of the electrical properties of the cell components and the implication of these results into the simulation model. The experimental studies will also show the limits in the maximum number of segments, which can be used for a reliable detection of cross currents.
There is significant interest in sampling subglacial environments for geobiological studies, but they are difficult to access. Existing ice-drilling technologies make it cumbersome to maintain microbiologically clean access for sample acquisition and environmental stewardship of potentially fragile subglacial aquatic ecosystems. The IceMole is a maneuverable subsurface ice probe for clean in situ analysis and sampling of glacial ice and subglacial materials. The design is based on the novel concept of combining melting and mechanical propulsion. It can change melting direction by differential heating of the melting head and optional side-wall heaters. The first two prototypes were successfully tested between 2010 and 2012 on glaciers in Switzerland and Iceland. They demonstrated downward, horizontal and upward melting, as well as curve driving and dirt layer penetration. A more advanced probe is currently under development as part of the Enceladus Explorer (EnEx) project. It offers systems for obstacle avoidance, target detection, and navigation in ice. For the EnEx-IceMole, we will pay particular attention to clean protocols for the sampling of subglacial materials for biogeochemical analysis. We plan to use this probe for clean access into a unique subglacial aquatic environment at Blood Falls, Antarctica, with return of a subglacial brine sample.
A technology reference study for a multiple near-Earth object (NEO) rendezvous mission with solar sailcraft is currently carried out by the authors of this paper. The investigated mission builds on previous concepts, but adopts a strong micro-spacecraft philosophy based on the DLR/ESA Gossamer technology. The main scientific objective of the mission is to explore the diversity of NEOs. After direct interplanetary insertion, the solar sailcraft should—within less than 10 years—rendezvous three NEOs that are not only scientifically interesting, but also from the point of human spaceight and planetary defense. In this paper, the objectives of the study are outlined and a preliminary potential mission profile is presented.
Manufacturing companies are forced to operate in an increasingly volatile and unpredictabl environment. The number of events that can have a potentially critical impact on a production system‘s economic performance have significantly increased. This forces companies to invest considerably more in flexible and robust production systems capable of withstanding a certain amount of change however unable to quantify the benefits in advance. The satisfactory quantification and assessment of these qualities – Flexibility and Robustness –has not been realized yet. This paper discusses commonality between Flexibility and Robustness and offers a new approach to connect changes in the environment with the elements of a production system and thus quantifying its flexibility and robustness.
Einige Arten der Braun- und Weißfäulepilze sind in der Lage, selektiv entweder Lignin oder Cellulose im Holz abzubauen. Diese Pilze können für eine energiesparende Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Biomasse für Bioraffinerien genutzt werden, ohne auf technisch aufwändige Aufschlussapparate zurückgreifen zu müssen. Weißfäulepilze bauen bevorzugt Lignin ab, wodurch die verbleibende Cellulose leichter für enzymatische Hydrolysen in das Monosaccharid Glucose zugänglich wird. Braunfäulepilze bauen dagegen Cellulose und Hemicellulose ab. Die Auswirkungen der Behandlung von Weizenstroh mit verschiedenen Pilzarten werden zurzeit untersucht. Dabei werden die Veränderung der enzymatischen Hydrolysierbarkeit des Substrats sowie die gebildeten Ligninderivate bestimmt. Detaillierte Betrachtungen der Biomasseveränderung werden mithilfe spezifischer Färbemethoden durchgeführt, durch die morphologische Veränderungen der Pflanzengewebe in der 3D-Lichtmikroskopie dargestellt werden können.
Prozessintegrierte Magnetseparation im Labormaßstab mittels High-Gradient Magnetic Separator (HGMS)
(2014)
Die Hochgradient-Magnetseparation (HGMS) stellt eine Alternative zu konventionellen Methoden der Proteinaufarbeitung wie Filtration und Chromatographie dar und dient zudem als Prozessintensivierung. Bisherige Separatoren sind für Anwendungen von mehreren Litern Prozessvolumina Fermentationsmedium und Gramm Magnetpartikel ausgelegt. Bei der Entwicklung und Anwendung neuartiger Magnetpartikeloberflächen ist die Verfügbarkeit großer Mengen nicht gegeben. Bisherige Filterkammern erhöhen zudem den Arbeitsaufwand und verursachen größere Partikelverluste bei Spülvorgängen oder der Reinigung aufgrund der Partikeladsorption. Für Anwendungen im Maßstab < 500 mL wird deshalb ein Miniatur-Hochgradientfilter (miniHGF) entwickelt. Das Modell wird im 3D-Drucker Makerbot Replicator 2 gefertigt und magne-isierbare Drähte zur Partikelabscheidung eingesetzt. Die Vergleichbarkeit mit einem etablierten Magnetseparator wird anhand der Aufnahme von Durchbruchskurven und Bestimmung der Filtereffizienz untersucht. Die Praxistauglichkeit mit kleinen Volumina wird in wiederholten Batch-Versuchen mit auf Magnetpartikeln immobilisiertem Enzym und einem kolorimetrischen Assay geprüft.
Biotechnologische Wertstoffgewinnung entlang der Prozessketten Grüner und Pflanzenöl-Bioraffinerien
(2014)
Der nachwachsende Rohstoff Raps ist in großen Mengen verfügbar und eine Quelle für Biomoleküle mit hohem Wertschöpfungspotenzial. Entwicklungen zur biotechnologischen Wertstoffgewinnung werden dabei schwerpunktmäßig in den Bereichen Aufarbeitung und Funktionalisierung von Polyphenolen und Fetten betrieben. Bei der Verarbeitung der Pflanzenmaterialien werden dabei insbesondere Verfahren zur adsorptiven Aufreinigung und Auftrennung mittels Materialien mit modifizierten Bleicherden und anderen organischen oder anorganischen Adsorbentien untersucht. Ferner wurden für die Aufreinigung von Polyphenolen adsorptive sowie extraktive Prozesse entwickelt. Bei den Entwicklungen wird berücksichtigt, dass Bioraffinerien auf eine fortwährende Gewährleistung eines hohen Produktions- bzw. Lieferbedarfs nachwachsender Rohstoffe angewiesen sind. Somit werden Optionen dezentraler regionaler Vorbehandlungs- und Wertschöpfungsketten in der Nähe landwirtschaftlicher Betriebe einbezogen. Neben neuen Aufreinigungsverfahren werden mikrobielle und enzymatische Prozesse zur wertsteigernden Umsetzung von Glycerin, Polyphenolen und Zuckermonomeren vorgestellt sowie Limitierungen nachwachsender Rohstoffe der 2. Generation diskutiert.
Die Nutzung von Biomasse aus pflanzlichen Abfällen für die stoffliche Verwertung rückt immer stärker in den Vordergrund. Dabei ist vor allem die ganzheitliche Verwertung der Stoffströme von Bedeutung, da diese einen integrativen Ansatz ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Produktion von Einzellerproteinen (Single-Cell Proteins, SCPs) mithilfe von unterschiedlichen Rohsubstraten dargelegt. Somit können Reststoffströme, die in keiner Konkurrenz zur Produktion von Lebensmitteln stehen, für die Herstellung von Futter- und auch Nahrungsmitteln Verwendung finden. Die zunächst thermisch vorbehandelten Ausgangsmaterialien stammen aus forstwirtschaftlichen und grünen Abfällen und ermöglichen durch eine anschließende enzymatische Hydrolyse die Freisetzung von Monosacchariden. Aus diesen erfolgt die SCP-Produktion fermentativ mithilfe der drei Modellorganismen Bakterium, Hefe und Pilz. Hierfür wird sowohl das flüssige Hydrolysat als auch der feste Reststoff auf der Basis einer Feststofffermentation genutzt. Auf diese Weise ist eine vollständige Verwertung der Ausgangsmaterialien möglich. Mit den gewonnen Daten erfolgt abschließend eine Bewertung der SCPs aus nachwachsenden Rohstoffen als alternative Proteinquelle.
Planar and three-dimensional (3D) interdigitated electrodes (IDE) with electrode digits separated by an insulating barrier of different heights were electrochemically characterized and compared in terms of their sensing properties. Due to the impact of the surface resistance, both types of IDE structures display a non-linear behavior in low-ionic strength solutions. The experimental data were fitted to an electrical equivalent circuit and interpreted taking into account the surface-charge-governed properties. The effect of a charged polyelectrolyte layer electrostatically assembled onto the sensor surface on the surface resistance in solutions with different KCl concentration is studied. In case of the same electrode footprint, 3D-IDEs show a larger cell constant and a higher sensitivity to molecular adsorption than that of planar IDEs. The obtained results demonstrate the potential of 3D-IDEs as a new transducer structure for a direct label-free sensing of charged molecules.
Clostridium propionicum is the only organism known to ferment β-alanine, a constituent of coenzyme A (CoA) and the phosphopantetheinyl prosthetic group of holo-acyl carrier protein. The first step in the fermentation is a CoA-transfer to β-alanine. Subsequently, the resulting β-alanyl-CoA is deaminated by the enzyme β-alanyl-CoA:ammonia lyase (Acl) to reversibly form ammonia and acrylyl-CoA. We have determined the crystal structure of Acl in its apo-form at a resolution of 0.97 Å as well as in complex with CoA at a resolution of 1.59 Å. The structures reveal that the enyzme belongs to a superfamily of proteins exhibiting a so called “hot dog fold” which is characterized by a five-stranded antiparallel β-sheet with a long α-helix packed against it. The functional unit of all “hot dog fold” proteins is a homodimer containing two equivalent substrate binding sites which are established by the dimer interface. In the case of Acl, three functional dimers combine to a homohexamer strongly resembling the homohexamer formed by YciA-like acyl-CoA thioesterases. Here, we propose an enzymatic mechanism based on the crystal structure of the Acl·CoA complex and molecular docking. Proteins 2014; 82:2041–2053. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.
It is well known that biochemical and biotechnological processes are strongly dependent and affected by a variety of physico-chemical parameters such as pH value, temperature, pressure and electrolyte conductivity. Therefore, these quantities have to be monitored or controlled in order to guarantee a stable process operation, optimization and high yield. In this work, a sensor chip for the multiparameter detection of three physico-chemical parameters such as electrolyte conductivity, pH and temperature is realized using barium strontium titanate (BST) as multipurpose material. The chip integrates a capacitively coupled four-electrode electrolyte-conductivity sensor, a capacitive field-effect pH sensor and a thin-film Pt-temperature sensor. Due to the multifunctional properties of BST, it is utilized as final outermost coating layer of the processed sensor chip and serves as passivation and protection layer as well as pH-sensitive transducer material at the same time. The results of testing of the individual sensors of the developed multiparameter sensor chip are presented. In addition, a quasi-simultaneous multiparameter characterization of the sensor chip in buffer solutions with different pH value and electrolyte conductivity is performed. To study the sensor behavior and the suitability of BST as multifunctional material under harsh environmental conditions, the sensor chip was exemplarily tested in a biogas digestate.
High-k perovskite oxide of barium strontium titanate (BST) represents a very attractive multi-functional transducer material for the development of (bio-)chemical sensors for liquids. In this work, BST films have been applied as a sensitive transducer material for a label-free detection of adsorbed charged macromolecules (positively charged polyelectrolytes) and concentration of hydrogen peroxide vapor as well as protection insulator layer for a contactless electrolyte-conductivity sensor. The experimental results of characterization of individual sensors are presented. Special emphasis is devoted towards the development of a capacitively-coupled contactless electrolyte-conductivity sensor.
Multi-parameter detection for supporting monitoring and control of biogas processes in agriculture
(2014)
Der Embedded Wireless-Report
(2014)
Feldbustechnologie
(2014)