TY  - JOUR
T1  - Campus Uni Würzburg September 2016
T2  - Campus Uni Würzburg
N2  - Wie Maschinen Menschen werden: Roboter, die kochen, ein Glas Wasser eingießen oder uns baden? Klingt nach Science-Fiction? Medieninformatikerin Birgit Lugrin arbeitet daran, dass es Realität wird.
KW  - Julius-Maximilians-Universität Würzburg
KW  - Universität Würzburg
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139588
UR  - http://www.presse.uni-wuerzburg.de/publikationen/campus/
VL  - 09/2016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Storz, Oliver
T1  - Aufbau eines Rastertunnelmikroskops für Landau Level - Spektroskopie auf topologischen Isolator - Oberflächen
T1  - Development of a scanning tunneling microscope for Landau level spectroscopy of topological insulator sufaces
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Rastertunnelmikroskop (STM) für Messungen bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern konzipiert und aufgebaut. Die Probentemperatur kann dabei auf bis zu 1.4\,Kelvin reduziert werden, was spektroskopische Messungen mit extrem hoher Energieauflösung ermöglicht. Die thermische Verbreiterung spektroskopischer Merkmale liegt somit im Bereich eines Milli-Elektronenvolts, wie durch den Fit der Bandlücke eines supraleitenden Materials demonstriert wird. Ein linearer Bewegungsmechanismus ermöglicht die Positionierung des STM-Körpers innerhalb einer supraleitenden Spule, in der Magnetfelder von bis zu 12.5\,Tesla senkrecht zur Probenoberfläche erzeugt werden können. Das System erlaubt des Weiteren den Wechsel von Spitzen und Proben innerhalb des Kryostaten sowie das Aufdampfen von Einzelatomen auf die kalte Probenoberfläche ohne die Probe aus dem STM zu entfernen. Um den Einfluss mechanischer Vibrationen zu minimieren wurde ein innovatives Feder-Dämpfungssystem entwickelt, dass eine Stabilität des Tunnelkontakts von bis zu einem Pikometer gewährleistet. \\ 
 
\noindent Der zweite Teil dieser Arbeit präsentiert die Ergebnisse von STM-Messungen auf Antimon-Tellurid (Sb_{2}Te_{3}). Sb_{2}Te_{3}\, gehört zur relativ neu entdeckten Materialklasse der Topologischen Isolatoren (TI). Diese Verbindungen besitzen auf ihren Oberflächen Zustände mit linearer Dispersion, die durch die Zeitumkehr-Invarianz geschützt werden.  Fokus unserer Messungen ist dabei der Einfluss eines magnetischen Feldes auf die Eigenschaften eines derartigen unkonventionellen 2D-Elektronengases. Dazu wurde die Entstehung von Landau Level (LL) innerhalb eines Magnetfelds genau untersucht. Die zwei in dieser Arbeit untersuchten Hauptaspekte sind: \medskip

\noindent(i) Die energetische Verbreiterung, die Rückschlüsse auf die Lebensdauer zulässt\\
(ii) Die örtliche Fluktuation. \medskip

\noindent Erstaunlicherweise kann die gemessene Verbreiterung der Landau Resonanzen nicht mit gängigen Mechanismen der Lebenszeit-Verbreiterung erklärt werden. Aus diesem Grund wird eine alternative Interpretation basierend auf der Heissenbergschen Unschärferelation vorgestellt, die im guten Einklang mit den von uns gewonnenen Daten steht. Des Weiteren zeigen örtlich aufgelöste Messungen systematische Abweichungen in der Dirac-Geschwindigkeit positiver und negativer Landau Resonanzen. Diese Fluktuationen stehen dabei in direktem Zusammenhang mit Änderungen im lokalen chemischen Potential. Da die physikalischen Ursachen dieser Abweichung im Rahmen dieser Arbeit nicht zweifelsfrei geklärt werden konnten, werden im letzten Teil die zugrundeliegenden Messergebnisse vorgestellt und mögliche Erklärungen des Verhaltens präsentiert.
N2  - The scope of this thesis is the design and construction of a scanning tunneling microscope (STM) operating at low temperatures and high magnetic fields. The sample temperature can be reduced to 1.4\,Kelvin which permits to perform spectroscopic measurements with extremely high energy resolution. As demonstrated by fitting the gap of a superconducting material the thermal broadening of spectroscopic features is routinely found to be of the order of one milli-electronvolt. A linear travel mechanism allows to position the STM head inside a superconducting solenoid where magnetic fields up to 12.5\,Tesla can be applied perpendicular to the sample surface. Tips and samples can be exchanged in-situ and single atoms can be directly evaporated onto the cold sample surface without extracting the sample from the STM. To minimize the impact of mechanical vibrations, an innovative spring-damping system has been developed giving the tunneling junction a stability as low as one pico-meter. \\ 

\noindent The second part of this thesis presents the results of STM measurements on antimony telluride (\Sb_{2}Te_{3}). \Sb_{2}Te_{3}\, belongs to the relatively new class of materials known as topological insulators (TI). These compounds host on their surfaces linearly dispersing states which are protected by time-reversal symmetry. The focus of our measurements is the influence of a magnetic field on the properties of this unconventional 2D electron gas. The evolution of Landau levels (LL) in magnetic fields has been carefully analysed. Two are the main aspects which have been tackled: \medskip

\noindent(i)  Their energetic broadening, which can be directly linked to the lifetime \\
(ii) Their spacial fluctuation. \medskip

\noindent Surprisingly, the energetic broadening of the landau peaks cannot be explained by any of the mechanisms commonly limiting the lifetime. An alternative interpretation based on Heissenberg's uncertainty principle is presented, which is found to be in good agreement with our data. Furthermore spatially resolved experiments reveal systematic deviations of the Dirac velocities for positive and negative LL. These fluctuations are intimately linked to variations of the local chemical potential. As the physical origin of this deviation could not be unambiguously identified, the last part presents the experimental data and suggests possible explanations of this finding.
KW  - Rastertunnelmikroskopie
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Landau-Niveau
KW  - Rastertunnelspektoskopie
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139525
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brüning, Christoph
T1  - Quantendynamische Untersuchungen zur Exzitonenlokalisierung und linearen Spektroskopie in molekularen Oligomeren
T1  - Quantum dynamical study on excition localization and linear spectroscopy in molecular oligomers
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit den spektralen Signaturen molekularer Aggregate sowie mit ihrer Wellenpakets- und Populationsdynamik in angeregten Zuständen unter dem Einfluss externer Störungen und photoinduzierter Asymmetrie.
Hierzu werden quantendynamische numerische Berechnungen mit der Multi-Configuration Time-Dependent Hartree-Methode
durchgeführt, um die angesprochenen Prozesse zu charakterisieren.
Durch die Konzentration auf Modellrechnungen sind die qualitativen Ergebnisse dieser Arbeit auf viele Systeme übertragbar.

Zunächst widmet sich die Arbeit den linearen UV/Vis-Absorptions- und Emissionsspektren von Aggregaten.
Hier zeigt sich, dass die Anzahl der Größen, die ein Absorptionsspektrum bestimmen -- etwa die Anzahl der Chromophore, ihre geometrischen Anordnung und die elektronische Kopplung zwischen ihnen -- zu groß ist, um ihre numerischen Werte eindeutig aus den Spektren bestimmen zu können.
Insbesondere können sich die Auswirkungen der Aggregatgröße und der Kopplungsstärke gegenseitig so beeinflussen, dass die Form der Absorptionsbande bei sehr unterschiedlichen Systemen nahezu identisch ist. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten bei der Interpretation experimenteller Spektren, insbesondere von selbst-aggregierten Oligomeren, deren Größe unbekannt ist.
Es ist daher notwendig, entweder die elektronische Kopplung oder die Anzahl der Monomere in einem Aggregat 
durch andere experimentelle Methoden unabhängig zu bestimmen. Ist die Aggregatgröße jedoch bekannt,
können die Absorptionsspektren sehr wohl zur Bestimmung anderer Eigenschaften des Systems herangezogen werden.
Dies wird durch die Untersuchung der Spektren kovalent gebundener zyklischer Aggregate aus drei und vier cis-Indolenin-Squarain-Molekülen als Beispiel für Systeme mit bekannter Größe dargestellt.

Das zweite Hauptthema der Arbeit ist die Populationsdynamik in angeregten Zuständen molekularer Aggregate.
Dazu werden numerische Rechnungen an Dimeren, Pentameren und Nonameren durchgeführt. Eine Asymmetrie, sei es im System selbst oder am Wellenpaket, das durch die Anregung entsteht, kann dazu führen, dass ein einzelnes Monomer dauerhaft bevorzugt populiert ist. Wenn durch eine externe Störung die Energie des angeregten Zustands bestimmter Monomere für eine gewisse Zeit erhöht ist,
kommt es zu einer Lokalisation der Population in diesem energetisch höheren Zustand.
In einem System mit weiteren internen Freiheitsgraden wird die Population auf benachbarte Monomere übertragen,
wenn der Betrag der Energieverschiebung des gestörten Zustands mit dem Abstand der Schwingungsniveaus zusammenfällt.
Der anfängliche Lokalisierungseffekt ist darüber hinaus zustandsspezifisch:
Er wird durch die Überlappintegrale der Schwingungskomponenten der Wellenfunktion in den diabatischen angeregten elektronischen Zuständen bestimmt.
Durch die Kombination von zwei Laserpulsen kann auch ein Wellenpaket in den angeregten Zuständen erzeugt werden,
dessen Symmetrieachsen nicht mit denen der Potentialflächen des Systems zusammenfallen.
Dadurch, dass hier die Asymmetrie schon im Wellenpaket vorliegt, kann es auch ohne äußere Störung zu einer Lokalisation der Population auf einem Monomer kommen.
N2  - This work studies the spectral signatures of molecular aggregates as well as their excited-state wave-packet and population dynamics under the influence of external
perturbations and photo-induced asymmetry.
Quantum dynamical numerical calculations employing the Multi-Configuration Time-Dependent Hartee method
are performed in order to characterize the aforementioned processes. Concentrating on model calculations, the  results of this work can qualitatively be transferred
to a variety of different systems.

First, linear UV/Vis- absorption and emission spectra of aggregates are investigated. It becomes apparent that the number of quantities which determine an absorption spectrum -- such as the number of chromophores, their geometrical arrangement and the electronic coupling between them -- is too large to uniquely determine their numerical values from the specta.
Especially, the effects of the aggregate size and the coupling strength can influence each other in a way
such that nearly identical spectra are obtained for vastly different systems. This leads to difficulties in the interpretation of experimental spectra,
in particular when investigating self-assembled oligomers whose size is unknown.
It is thus necessary to determine either the number of monomers within the Aggregate or their electronic coupling independently via other experimental techniques.
If the aggregate size is, however, known, absorption spectra provide a valuable tool for determining other properties of the system under investigation.
This is shown by investigating the spectra of covalently linked aggregates comprised of three or four
cis-Indolenine Squaraine dye molecules as an example for systems of known size.

The second main topic of the thesis is the excited-state population dynamics of molecular aggregates.
Here, numerical calculations for dimer, pentamer and nonamer systems are performed.
It is shown that any asymmetry, originating from the system itself or from the photo-excited wave-packet,
leads to a quasi-permanent enhancement of the population of a single monomer unit. When the energy of the excited states of certain monomers is increased by an external perturbation, the excited-state population is, after a very short time, localized in the state with higher energy. In a system that features additional internal degrees of freedom, the population is transferred to neighboring Monomers if the energy shift of the perturbed state is in resonance with the spacing of the vibrational levels.
In addition, the inital localization effect is state-specific as it is determined by the overlap integral
of the vibrational wave-function components in the diabatic electronic states.

By combining two laser pulses, it is possible to generate an excited-state wave-packet whose axes of symmetry do not coincide with those of the potential energy surfaces of the system.
Since, here, the asymmetry is already contained in the wave-packet, localization of the population on a single monomer is possible even without an external perturbation.
KW  - Kurzzeitphysik
KW  - Wellenpaket
KW  - Molekularbewegung
KW  - Physikalische Chemie
KW  - Quantendynamik
KW  - quantum dynamics
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139413
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Schmitz, Barbara
T1  - Leben aus der präsentischen Ermutigung Gottes. Überlegungen zu Simeons Gebet (Lk 2, 25-35)
N2  - No abstract available.
KW  - Bibel. Lukasevangelium, 2,25-32
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-137705
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pasch, Elisabeth
T1  - The role of SUN4 and related proteins in sperm head formation and fertility
T1  - Die Rolle von SUN4 und verwandten Proteinen in der Spermienkopfformierung und Fertilität
N2  - Spermiogenesis describes the differentiation of haploid germ cells into motile, fertilization-competent spermatozoa. During this fundamental transition the species-specific sperm head is formed, which necessitates profound nuclear restructuring coincident with the assembly of sperm-specific structures and chromatin compaction. In the case of the mouse, it is characterized by reshaping of the early round spermatid nucleus into an elongated sickle-shaped sperm head. This tremendous shape change requires the transduction of cytoskeletal forces onto the nuclear envelope (NE) or even further into the nuclear interior. LINC (linkers of nucleoskeleton and cytoskeleton) complexes might be involved in this process, due to their general function in bridging the NE and thereby physically connecting the nucleus to the peripheral cytoskeleton.
LINC complexes consist of inner nuclear membrane integral SUN-domain proteins and outer nuclear membrane KASH-domain counterparts. SUN- and KASH-domain proteins are directly connected to each other within the perinuclear space, and are thus capable of transferring forces across the NE. To date, these protein complexes are known for their essential functions in nuclear migration, anchoring and positioning of the nucleus, and even for chromosome movements and the maintenance of cell polarity and nuclear shape.
In this study LINC complexes were investigated with regard to their potential role in sperm head formation, in order to gain further insight into the processes occurring during spermiogenesis. To this end, the behavior and function of the testis-specific SUN4 protein was studied. The SUN-domain protein SUN4, which had received limited characterization prior to this work, was found to be exclusively expressed in haploid stages during germ cell development. In these cell stages, it specifically localized to the posterior NE at regions decorated by the manchette, a spermatid-specific structure which was previously shown to be involved in nuclear shaping. Mice deficient for SUN4 exhibited severely disorganized manchette residues and gravely misshapen sperm heads. These defects resulted in a globozoospermia-like phenotype and male mice infertility. Therefore, SUN4 was not only found to be mandatory for the correct assembly and anchorage of the manchette, but also for the correct localization of SUN3 and Nesprin1, as well as of other NE components. Interaction studies revealed that SUN4 had the potential to interact with SUN3, Nesprin1, and itself, and as such is likely to build functional LINC complexes that anchor the manchette and transfer cytoskeletal forces onto the nucleus.
Taken together, the severe impact of SUN4 deficiency on the nucleocytoplasmic junction during sperm development provided direct evidence for a crucial role of SUN4 and other LINC complex components in mammalian sperm head formation and fertility.
N2  - Die Spermiogenese beschreibt die Differenzierung haploider Keimzellen zu beweglichen, fortpflanzungsfähigen Spermatozoen. Während dieses fundamentalen Entwicklungsabschnittes wird neben dem Aufbau von spermienspezifischen Strukturen und der Kompaktierung des Chromatins auch der speziesspezifische Spermienkopf geformt. Im Falle der Maus ist dies eine aktive Umformung des runden Zellkerns in einen gestreckten, sichelförmigen Spermienkopf. Eine derart gravierende Formveränderung erfordert eine Kraftweiterleitung aus dem Zytoskelett auf die Kernhülle und das Kerninnere. In diesem Zusammenhang könnten LINC (linkers of nucleoskeleton and cytoskeleton) Komplexe eine Rolle spielen, da ihre grundlegende Funktion darin besteht die Kernhülle zu überbrücken und somit den Kern mit dem peripheren Zytoskelett zu verbinden.
LlNC Komplexe werden aus SUN und KASH Domänen Proteinen aufgebaut, welche in die innere beziehungsweise äußere Kernmembran eingelagert sind. Diese membranintegralen Proteine sind direkt miteinander verbunden, so dass sie einen Komplex bilden, der zur Kräfteübertragung geeignet ist. LINC Komplexe besitzen vielfältige Funktionen in Prozessen wie nuklearer Migration, Verankerung und Positionierung des Zellkerns, Chromosomenbewegungen und in der Aufrechterhaltung der Zellpolarität oder der Kernform.
Um ein größeres Verständnis der Prozesse während der Spermiogenese zu gewinnen, wurden in dieser Studie die Funktionen von LINC Komplexen in der Spermiogenese und ihre spezifische Rolle bei der gerichteten Spermienkopf-strukturierung untersucht. Dabei wurde insbesondere das Verhalten und die Funktion des bisher wenig charakterisierten SUN Domänen Proteins SUN4 erforscht. Entsprechend der Ergebnisse dieser Studie ist SUN4 ein hodenspezifisches Protein, das ausschließlich in haploiden Keimzellen exprimiert wird. In diesen lokalisiert es in der posterioren Kernhülle, spezifisch in Regionen, an die sich die spermatidenspezifische Manschette anlagert. Dies ist eine Struktur, für die bereits gezeigt wurde, dass sie an der Verformung des Kerns beteiligt ist. SUN4 defiziente Mäuse zeigten ausschließlich Spermatiden mit stark desorganisierten Manschettenüberresten und einen gravierend verformten Spermienkopf. Insgesamt führten die Fehlbildungen zu einem globozoospermieartigen Phänotyp und männlicher Sterilität bei Mäusen. Dabei zeigte sich, dass SUN4 nicht nur zwingend erforderlich ist für den korrekten Aufbau und die Verankerung der Manschette, sondern auch für die korrekte Lokalisation von SUN3 und Nesprin1, wie auch für weitere Komponenten der posterioren Kernhülle. Interaktionsstudien zeigten, dass SUN4 sowohl mit SUN3 und Nesprin1 als auch mit sich selbst interagieren kann, vermutlich um funktionsfähige LINC Komplexe zu bilden, die die Manchette verankern und Kräfte aus dem Zytoskelett auf den Kern übertragen.
Zusammenfassend zeigen die schwerwiegenden Auswirkungen auf die kernzytoplasmatische Verbindung während der Spermienentwicklung, die durch den Verlust von SUN4 entstanden, einen direkten Nachweis einer entscheidenden Rolle von SUN4 und anderen LINC-Komplex-Komponenten für die Spermienkopfentwicklung und Fertilität bei Säugetieren.
KW  - Maus
KW  - spermiogenesis
KW  - Fertilität
KW  - Spermatogenese
KW  - Kernhülle
KW  - Molekularbiologie
KW  - LINC complex
KW  - SUN domain proteins
KW  - sperm head formation
KW  - fertility
KW  - Spermiogenese
KW  - Spermienbildung
KW  - Kernproteine
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139092
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Stumpf, Nora
T1  - Die Versteigerung knapper Ressourcen im Öffentlichen Wirtschaftsrecht – Erscheinungsformen, verfassungsrechtliche Grenzen und europarechtliche Einflüsse
N2  - Die Ressourcenallokation durch Versteigerung wurde mit dem Telekommunikationsgesetz (TKG) vom 25. Juli 1996 in das deutsche Wirtschaftsverwaltungsrecht eingeführt. Nach dieser erstmaligen Nutzung zur Frequenzvergabe etablierte sich das Verfahren sukzessive auch in anderen Bereichen der staatlichen Zuteilung knapper Ressourcen, insbesondere der Allokation von Emissionszertifikaten. Bereits seit der Einführung im TKG werden Verfassungs- und Europarechtskonformität des Versteigerungsverfahrens kontrovers diskutiert. Ziel der Arbeit ist, darzustellen, welche Bedenken berechtigt sind und ob man ihnen insbesondere mit geeigneter Ausgestaltung der Auktionsform und weiterer Rahmenbedingungen zuvorkommen kann.
T3  - Würzburger Arbeiten zum Wirtschaftsrecht - 9 
KW  - Auktion
KW  - Ressourcenallokation
KW  - Wirtschaftsverwaltungsrecht
KW  - Verteilungsverfahren
KW  - Emissionszertifikate
KW  - Lizenzvergabe
KW  - UMTS-Auktion
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138587
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wiebusch, Dennis
T1  - Reusability for Intelligent Realtime Interactive Systems
T1  - Wiederverwendbarkeit für Intelligente Echtzeit-interaktive Systeme
N2  - Software frameworks for Realtime Interactive Systems (RIS), e.g., in the areas of Virtual, Augmented, and Mixed Reality (VR, AR, and MR) or computer games, facilitate a multitude of functionalities by coupling diverse software modules. In this context, no uniform methodology for coupling these modules does exist; instead various purpose-built solutions have been proposed. As a consequence, important software qualities, such as maintainability, reusability, and adaptability, are impeded.
Many modern systems provide additional support for the integration of Artificial Intelligence (AI) methods to create so called intelligent virtual environments. These methods exacerbate the above-mentioned problem of coupling software modules in the thus created Intelligent Realtime Interactive Systems (IRIS) even more.  This, on the one hand, is due to the commonly applied specialized data structures and asynchronous execution schemes, and the requirement for high consistency regarding content-wise coupled but functionally decoupled forms of data representation on the other.
This work proposes an approach to decoupling software modules in IRIS, which is based on the abstraction of architecture elements using a semantic Knowledge Representation Layer (KRL). The layer facilitates decoupling the required modules, provides a means for ensuring interface compatibility and consistency, and in the end constitutes an interface for symbolic AI methods.
N2  - Software Frameworks zur Entwicklung Echtzeit-interaktiver Systeme (engl. Realtime Interactive Systems, RIS), z.B. mit Anwendungen in der Virtual, Augmented und Mixed Reality (VR, AR und MR) sowie in Computerspielen, integrieren vielfältige Funktionalitäten durch die Kopplung verschiedener Softwaremodule. Eine einheitliche Methodik einer Kopplung in diesen Systemen besteht dabei nicht, stattdessen existieren mannigfaltige individuelle Lösungen. Als Resultat sinken wichtige Softwarequalitätsfaktoren wie Wartbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Anpassbarkeit. 
Viele moderne Systeme setzen zusätzlich unterschiedliche Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) ein, um so intelligente virtuelle Umgebungen zu generieren. Diese KI-Methoden verschärfen in solchen Intelligenten Echtzeit-interaktiven Systemen (engl. Intelligent Realtime Interactive Systems, IRIS) das eingangs genannte Kopplungsproblem signifikant durch ihre spezialisierten Datenstrukturen und häufig asynchronen Prozessflüssen bei gleichzeitig hohen Konsistenzanforderungen bzgl. inhaltlich assoziierter, aber funktional entkoppelter Datenrepräsentationen in anderen Modulen. 
Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Lösungsansatz für das Entkopplungsproblem mittels Abstraktion maßgeblicher Softwarearchitekturelemente basierend auf einer erweiterbaren semantischen Wissensrepräsentationsschicht. Diese semantische Abstraktionsschicht erlaubt die Entkopplung benötigter Module, ermöglicht eine automatische Überprüfung von Schnittstellenkompatibiltät und Konsistenz und stellt darüber hinaus eine generische Schnittstelle zu symbolischen KI-Methoden bereit.
KW  - Virtuelle Realität
KW  - Ontologie <Wissensverarbeitung>
KW  - Wissensrepräsentation
KW  - Echtzeitsystem
KW  - Framework <Informatik>
KW  - Intelligent Realtime Interactive System
KW  - Virtual Reality
KW  - Knowledge Representation Layer
KW  - Intelligent Virtual Environment
KW  - Semantic Entity Model
KW  - Erweiterte Realität <Informatik>
KW  - Softwarewiederverwendung
KW  - Modul <Software>
KW  - Software Engineering
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121869
SN  - 978-3-95826-040-5 (print)
SN  - 978-3-95826-041-2 (online)
N1  - Parallel erschienen als Druckausg. in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-040-5, 34,90 EUR
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz, Ricarda
T1  - Methylphenidat-induzierte Genexpression in lymphoblastoiden Zellen von adulten ADHS Patienten
T1  - A preliminary study on methylphenidate-regulated gene expression in lymphoblastoid cells of ADHD patients
N2  - Mit dieser Studie sollte untersucht werden, ob ein Genexpressionsunterschied zwi- schen heterogenen erwachsenen ADHS-Patienten und gesunden Kontrollen besteht und eine Behandlung mit Methylphenidat kurz- oder langfristige Genexpressionsunter- schiede hervorruft. Außerdem war von Interesse, ob ein sich ein möglicher Behand- lungseffekt durch MPH zwischen ADHS- und Kontrollgruppe unterscheidet. Dazu wurde ein peripheres Zellmodell mit EBV-modifizierten Lymphoblasten von ADHS-Patienten und Kontrollen gewählt, deren RNA für die weiteren Versuche genutzt wurde. In Vor- versuchen sollte die Verwendung von MPH für die Versuchsmodellbedingungen opti- miert werden.
In der vorliegenden Arbeit konnte anhand der Parameter Zellkonzentration und Zellgröße kein zelltoxischer Effekt von MPH in Konzentrationen bis 100 ng/µl ermittelt werden. Die Proben zeigten durchschnittlich sehr gute RNA-Konzentrationen (354 ng/µL), eine gute RNA-Qualität und nur leichte Verunreinigungen.
Die hypothesenfreien Microarray-Untersuchung zeigte zum Zeitpunkt t4 und unter MPH-Behandlung 163 Gene an der Grenze zu statistischem Signifikanzniveau. Die aus den ersten 138 (p < 0,00139, korrigiert für multiples Testen p = 0,06) ausgewählten Genen ATXN1, GLUT3, GUCY1B3, HEY1, MAP3K8 und NAV2 zeigten in der anschließen- den qRT-PCR außer bei GUCY1B3 (zu allen Zeiten eine höhere Expression bei ADHS; p- Werte der aufsteigenden Zeitpunkte 0,002; 0,089; 0,027; 0,055 und 0,064) keine signi- fikanten Gruppenunterschiede zwischen ADHS-Probanden und Kontrollen.
Allerdings konnten bei ATXN1, GLUT3, HEY1, MAP3K8 und NAV2 statistisch relevante Behandlungseffekte durch MPH beobachtet werden. Sie unterschieden sich in beiden Gruppen. Kurzzeiteffekte (innerhalb 1 bzw. 6h) traten ausschließlich bei der ADHS- Gruppe, Langzeiteffekte (2 Wochen) nur bei Kontrollen auf. Bei ADHS-Zellen wurde zum Zeitpunkt t1 die Expression von ATXN1 (p = 0,012) und NAV2 (p = 0,001) unter MPH erhöht. Eine signifikant geringerer kurzfristiger Genexpressionsanstieg zeigte sich bei MAP3K8 (p = 0,005). Im dynamischen Verlauf zeigte sich eine signifikante Genexpressi- onssteigerung innerhalb von einer Woche (t3) bei ATXN1 (p= 0,057) und HEY1 (0,042). Bei Kontrollzellen führte die MPH-Behandlung zu signifikanten Genexpressionsunter- schieden zum Zeitpunkt t4 bei GLUT3 ((p = 0,044) und MAP3K8 (p = 0,005) und im dy- namischen Verlauf zu höheren Expressionsanstiegen innerhalb von zwei Wochen (t4) bei GLUT3 (p = 0,033) und MAP3K8 (p = 0,005).
Zumindest in dem untersuchten Gen GUCY1B3 gibt es also Expressionsunterschiede zwischen ADHS- und Kontrollgruppe. Methylphenidat beeinflusst die Genexpression in peripheren Zellen, obwohl seine Hauptwirkung im zentralen Nervensystem erzielt wird. Ob es sich dabei um eine Wirkung oder Nebenwirkung handelt, bleibt offen. Es gibt sowohl lang- als auch kurzfristige Genexpressionsveränderungen, wobei die kurzfristi- gen bei ADHS, die langfristigen in der Kontrollgruppe detektiert wurden. Damit unter- scheidet sich der Effekt von MPH auf die Genexpression peripherer Zellen zwischen  
ADHS und Kontrollgruppe.

Die untersuchten Gene beeinflussen unterschiedliche Signalwege. Besonders hervor- zuheben sind das Dopaminsystem, der Notch- und NO-Signalweg. Da die Genprodukte jeweils nur ein Element längerer Signalkaskaden darstellen und oft auch mit mehreren Wegen interagieren, ist es schwer, direkte und indirekte Wirkungen von MPH zu unter- scheiden. Es gibt allerdings Hinweise, dass die untersuchten Gene sowie deren Verän- derung durch MPH im präfrontalen Kortex, dem limbischen System, Basalganglien und Kleinhirnarealen und dem aufsteigenden retikulären aktivierenden System (ARAS) eine wichtige Rollen spielen. Dies äußert sich schon in der embryonalen Hirnentwicklung, neuronalen Differenzierung und Synapsenbildung und hat Einfluss auf Aufmerksamkeit, Gedächtnis, Lernen, motorische Kontrolle und Emotionen.
Diese Ergebnisse müssen nun in einer größeren Stichprobe validiert werden. Somit könnten einige Effekte, die hier als nominal bezeichnet wurden, in einer größeren Stichprobe signifikante Werte erreichen, während andere Unterschiede evtl. auch ver- schwinden könnten. Außerdem sollte berücksichtigt werden, dass nicht alle ADHS- Patienten auf eine Behandlung mit MPH ansprechen. Es ist also sinnvoll, eine Subgrup- penanalyse zwischen MPH-Resondern und Non-Respondern durchzuführen.
In weiteren Untersuchungen ist es notwendig, Behandlungseffekte durch MPH in neu- ronalen Zelllinien zu untersuchen, da ADHS primär eine Störung des zentralen Nerven- systems darstellt, welches auch therapeutisch von MPH angesteuert wird.
N2  - We investigated the impact of MPH treatment on gene expression levels of lymphoblastoid cells derived from adult ADHD patients and healthy controls by hypothesis-free, genome-wide microarray analysis. Significant findings were subsequently confirmed by quantitative Real-Time PCR (qRT PCR) analysis.
RESULTS: The microarray analysis from pooled samples after correction for multiple testing revealed 138 genes to be marginally significantly regulated due to MPH treatment, and one gene due to diagnosis. By qRT PCR we could confirm that GUCY1B3 expression was differential due to diagnosis. We verified chronic MPH treatment effects on the expression of ATXN1, HEY1, MAP3K8 and GLUT3 in controls as well as acute treatment effects on the expression of NAV2 and ATXN1 specifically in ADHD patients.
CONCLUSIONS: Our preliminary results demonstrate MPH treatment differences in ADHD patients and healthy controls in a peripheral primary cell model. Our results need to be replicated in larger samples and also using patient-derived neuronal cell models to validate the contribution of those genes to the pathophysiology of ADHD and mode of action of MPH.
KW  - ADHS
KW  - Methylphenidat
KW  - MPH
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138855
ER  - 
TY  - THES
A1  - Asmus, Elisabeth
T1  - Mode of Action of Adjuvants for Foliar Application
T1  - Wirkmechanismen von Adjuvantien für die Blattflächenapplikation
N2  - Adjuvants are compounds added to an agrochemical spray formulation to improve or modify the action of an active ingredient (AI) or the physico-chemical characteristics of the spray liquid. Adjuvants can have more than only one distinct mode of action (MoA) during the foliar spray application process and they are generally known to be the best tools to improve agrochemical formulations. The main objective for this work was to elucidate the basic MoA of adjuvants by uncoupling different aspects of the spray application. Laboratory experiments, beginning from retention and spreading characteristics, followed by humectant effects concerning the spray deposit on the leaf surface and ultimately the cuticular penetration of an AI, were figured out to evaluate overall in vivo effects of adjuvants which were also obtained in a greenhouse spray test. For this comprehensive study, the surfactant classes of non-ionic sorbitan esters (Span), polysorbates (Tween) and oleyl alcohol polyglycol ether (Genapol O) were generally considered because of their common promoting potential in agrochemical formulations and their structural diversity. 

The reduction of interfacial tension is one of the most crucial physico-chemical properties of surfactants. The dynamic surface tension (DST) was monitored to characterise the surface tension lowering behaviour which is known to influence the droplet formation and retention characteristics. The DST is a function of time and the critical time frame of droplet impact might be at about 100 ms. None of the selected surfactants were found to lower the surface tension sufficiently during this short timeframe (chapter I). At ca. 100 ms, Tween 20 resulted in the lowest DST value. When surfactant monomers are fully saturated at the droplet-air-interface, an equilibrium surface tension (STeq) value can be determined which may be used to predict spreading or run-off effects. The majority of selected surfactants resulted in a narrow distribution of STeq values, ranging between 30 and 45 mN m- 1. Nevertheless, all surfactants were able to decrease the surface tension considerably compared to pure water (72 mN m- 1). The influence of different surfactants on the wetting process was evaluated by studying time-dependent static contact angles on different surfaces and the droplet spread area on Triticum aestivum leaves after water evaporation. The spreading potential was observed to be better for Spans than for Tweens. Especially Span 20 showed maximum spreading results. To transfer laboratory findings to spray application, related to field conditions, retention and leaf coverage was measured quantitatively on wheat leaves by using a variable track sprayer. Since the retention process involves short time dynamics, it is well-known that the spray retention on a plant surface is not correlated to STeq but to DST values. The relationship between DST at ca. 100 ms and results from the track sprayer showed increasing retention results with decreasing DST, whereas at DST values below ca. 60 mN m- 1 no further retention improvement could be observed. 
Under field conditions, water evaporates from the droplet within a few seconds to minutes after droplet deposition on the leaf surface. Since precipitation of the AI must essentially being avoided by holding the AI in solution, so-called humectants are used as tank-mix adjuvants. The ability of pure surfactants to absorb water from the surrounding atmosphere was investigated comprehensively by analysing water sorption isotherms (chapter II). These isotherms showed an exponential shape with a steep water sorption increase starting at 60% to 70% RH. Water sorption was low for Spans and much more distinct for the polyethoxylated surfactants (Tweens and Genapol O series). The relationship between the water sorption behaviour and the molecular structure of surfactants was considered as the so-called humectant activity. With an increasing ethylene oxide (EO) content, the humectant activity increased concerning the particular class of Genapol O. However, it could be shown that the moisture absorption across all classes of selected surfactants correlates rather better with their hydrophilic-lipophilic balance values with the EO content. 
All aboveground organs of plants are covered by the cuticular membrane which is therefore the first rate limiting barrier for AI uptake. In vitro penetration experiments through an astomatous model cuticle were performed to study the effects of adjuvants on the penetration of the lipophilic herbicide Pinoxaden (PXD) (chapter III). In order to understand the influence of different adjuvant MoA like humectancy, experiments were performed under three different humidity levels. No explicit relationship could be found between humidity levels and the PXD penetration which might be explained by the fact that humidity effects would rather affect hydrophilic AIs than lipophilic ones. Especially for Tween 20, it became obvious that a complex balance between multiple MoA like spreading, humectancy and plasticising effects have to be considered. 
Greenhouse trials, focussing the adjuvant impact on in vivo action of PXD, were evaluated on five different grass-weed species (chapter III). Since agrochemical spray application and its following action on living plants also includes translocation processes in planta and species dependent physiological effects, this investigation may help to simulate the situation on the field. Even though the absolute weed damage was different, depending both on plant species and also on PXD rates, adjuvant effects in greenhouse experiments displayed the same ranking as in cuticular penetration studies: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. 

Thus, the present work shows for the first time that findings obtained in laboratory experiments can be successfully transferred to spray application studies on living plants concerning adjuvant MoA. A comparative analysis, using radar charts, could demonstrate systematic derivations from structural similarities of adjuvants to their MoA (summarising discussion and outlook). Exemplarily, Tween 20 and Tween 80 cover a wide range of selected variables by having no outstanding MoA improving one distinct process during foliar application, compared to non-ethoxylated Span 20 and Span 80 which primarily revealed a surface active action. Most adjuvants used in this study represent polydisperse mixtures bearing a complex distribution of EO and aliphatic chains. From this study it seems alike that adjuvants having a wide EO distribution offer broader potential than adjuvants with a small EO distribution. It might be a speculation that due to this broad distribution of single molecules, all bearing their individual specific physico-chemical nature, a wide range of properties concerning their MoA is covered.
N2  - Adjuvantien sind chemische Verbindungen, die einer Pflanzenschutzformulierung hinzugefügt werden, um die Wirkung der Aktivsubstanz oder die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Spritzbrühe zu verbessern oder zu modifizieren. Sie können mehr als nur einen einzigen bestimmten Wirkmechanismus während der Blattflächenapplikation aufweisen, sodass sie gemeinhin als wirksamste Hilfsmittel in Pflanzenschutzformulierungen benutzt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, ihre wesentlichen Wirkmechanismen aufzuklären, indem verschiedene Aspekte der Applikation entkoppelt und unabhängig voneinander untersucht wurden. Hierzu wurden Laborversuche durchgeführt, beginnend mit dem Retentions- und Spreitungsverhalten, über die „humectant“- Eigenschaft, den Tropfenrückstand betreffend und schließlich die kutikuläre Penetration einer Aktivsubstanz. Um schlussendlich die ineinander übergreifenden in vivo Mechanismen von Adjuvantien zusammenfassend bewerten zu können, wurde zusätzlich ein Gewächshausprayversuch ausgeführt. Für diese mechanismenübergreifende Studie wurden aufgrund ihrer allgemein begünstigenden Eigenschaften in Formulierungen und ihrer strukturellen Vielfalt die Tensidklassen der Sorbitanester (Span), Polysorbate (Tween) und Oleylalkoholpolyglykolether (Genapol O) verwendet. 

Die Absenkung der Grenzflächenspannung ist eine der wesentlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Tensiden. Die dynamische Oberflächenspannung (DST) wurde untersucht, um das Verhalten beim Absenken der Oberflächenspannung einzuschätzen, welches die Tropfenbildung und die Retentionseigenschaften beeinflusst. Die DST ist zeitabhängig und das kritische Zeitfenster, in dem ein Tropfen auf die Pflanzenoberfläche auftrifft, beläuft sich auf ca. 100 ms. Innerhalb dieses Zeitrahmens konnte keines von den ausgewählten Tensiden die Oberflächenspannung hinreichend herabsetzen (vgl. Kapitel I). Bei ca. 100 ms wies Tween 20 die niedrigsten DST-Werte auf. Bei vollständiger Absättigung der Tropfen-Luft-Grenzfläche durch Tensidmonomere kann eine statische Oberflächenspannung (STeq) bestimmt werden. Diese physikalische Größe kann benutzt werden, um Spreitungs- und „run-off“- Effekte abzuschätzen. Der Großteil der betrachteten Tenside zeigte ähnliche STeq-Ergebnisse zwischen 30 und 45 mN m- 1. Somit waren alle Tenside in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser (72 mN m- 1) beträchtlich abzusenken. Der Einfluss von Tensiden auf den Benetzungsprozess wurde sowohl mit Hilfe von zeitabhängigen, statischen Kontaktwinkelmessungen auf verschiedenen Oberflächen, als auch nach der Wasserverdunstung auf Basis der Spreitungsfläche der Tropfen auf Triticum aestivum Blättern analysiert. Dabei zeigte die Klasse der Spans, besonders Span 20, ein besseres Benetzungsverhalten als die Klasse der Tweens. Um die Erkenntnisse aus dem Labor auf die Sprayapplikation auf dem Feld zu übertragen, wurden Retention und Blattbedeckung quantitativ auf Weizenoberflächen mit Hilfe eines „tracksprayers“ bestimmt. Da der Retention ein sehr schnell ablaufender, dynamischer Prozess zugrunde liegt, korreliert sie nicht mit der statischen, sondern mit der dynamischen Oberflächenspannung. Die Beziehung zwischen DST, bei ca. 100 ms und den „tracksprayer“- Ergebnissen zeigte eine Retentionszunahme bei abnehmender DST. Dabei konnte keine weitere Retentionsverbesserung bei DST-Werten unterhalb von ca. 60 mN m- 1 erzielt werden. 
Nachdem der Tropfen auf der Blattoberfläche gelandet ist, verdunstet Wasser unter Feldbedingungen aus dem Sprühtropfen innerhalb weniger Sekunden bis Minuten. Da das Auskristallisieren der Aktivsubstanz zwingend vermieden werden muss, werden sog. „humectants“ (dt. Feuchthaltemittel) als Tankmix-Adjuvantien eingesetzt, um die Aktivsubstanz in Lösung zu halten. Die Fähigkeit von Tensiden, Wasser aus der umgebenden Atmosphäre zu binden, wurde mit Hilfe von Wassersorptionsisothermen umfassend analysiert (vgl. Kapitel II). Diese Isothermen zeigten einen exponentiellen Verlauf mit einem steilen Anstieg der Wassersorption, beginnend ab ca. 60 bis 70% RH (relative Luftfeuchte). Dabei zeigten Spans eine geringere Wassersorption als die polyethoxylierten Tenside (Tweens und Genapol O). Die Beziehung zwischen dem Wassersorptionsverhalten und der molekularen Struktur der Tenside wurde als sog. „humectant Aktivität“ betrachtet. Speziell für die Klasse der Genapol O Tenside, wurde mit zunehmenden Ethylenoxidgehalt (EO) eine Zunahme der „humectant Aktivität“ nachgewiesen. Es konnte jedoch auch gezeigt werden, dass die Wassersorption über alle Klassen der hier ausgewählten Tenside eher mit dem „hydrophilic-lipophilic-balance“- Wert (HLB) als mit dem EO-Gehalt korreliert. 
Die Kutikula ist eine Membran, die alle oberirdischen Pflanzenorgane bedeckt. Damit stellt sie die wichtigste transportlimitierende Barriere für die Aufnahme von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen dar. Um die Wirkung von Adjuvantien auf die Penetration des lipophilen Herbizids Pinoxaden (PXD) zu bestimmen, wurden in vitro Penetrationsexperimente durch eine astomatäre Modellkutikula durchgeführt (vgl. Kapitel III). Um den Einfluss verschiedener Wirkmechanismen, wie z.B. die der „humectant“- Eigenschaft zu verstehen, wurden diese Versuche unter drei verschiedenen Luftfeuchtebedingungen durchgeführt. Hierbei konnte kein klarer Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchte und der PXD-Penetration nachgewiesen werden. Eine Ursache dafür könnte sein, dass sich Luftfeuchteeffekte eher auf hydrophile als auf lipophile Stoffe auswirken. Vielmehr wurde deutlich, dass hier eine komplexe Kombination aus verschiedenen Wirkmechanismen, wie z.B. Spreitungs-, „humectant“- und Weichmachereffekte, zum Tragen kommt. 
Um den Einfluss von Adjuvantien auf die in vivo Wirkung von PXD zu analysieren, wurden Gewächshausstudien mit fünf verschiedenen Ungräsern durchgeführt (vgl. Kapitel III). Da die Applikation von Pflanzenschutzwirkstoffen auch deren nachfolgende Wirkung auf lebende Pflanzen, wie z.B. Translokationsprozesse in planta und speziesspezifische physiologische Effekte beinhaltet, kann diese Untersuchung helfen, die Situation auf dem Feld besser zu simulieren. Durch die sowohl verschiedenen Pflanzenspezies als auch PXD-Konzentrationen variierte die absolute Schädigung der Ungräser stark. Dennoch kam es zur gleichen Reihenfolge der Auswirkung der Adjuvantien wie in den in vitro Kutikula-Penetrationsversuchen: Tween 20 > Tween 80 > Span 20 ≥ Span 80. 

Somit konnte in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass Erkenntnisse aus Laborversuchen, die die Wirkmechanismen von Adjuvantien betreffen, erfolgreich auf die Sprayapplikation auf Pflanzen übertragen werden können. Um eine systematische Herleitung der Wirkmechanismen von Adjuvantien abschließend zusammenzufassen, vergleichen und bewerten zu können, wurde dies mit Hilfe von Netzdiagrammen grafisch dargestellt (vgl. Zusammenfassende Diskussion und Ausblick). Dabei konnten Zusammenhänge zwischen strukturellen Ähnlichkeiten von Adjuvantien und deren Wirkmechanismen gefunden werden. Tween 20 und Tween 80 beispielsweise deckten ein sehr breites Spektrum an Mechanismen ab, zeigten dabei aber keinen herausragenden Wirkmechanismus einen bestimmten Prozess betreffend. Im Gegensatz dazu wiesen die nicht-ethoxylierten Span 20 und Span 80 hauptsächlich nur den oberflächenaktiven Mechanismus auf. Fast alle Adjuvantien, die in dieser Arbeit analysiert wurden, stellen komplexe polydisperse Mischungen dar, denen eine komplizierte Verteilung von EO-Gruppen und aliphatischen Ketten zugrunde liegt. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit kann gemutmaßt werden, dass Adjuvantien mit einer eher breiten EO-Verteilung ein breiteres Anwendungsspektrum bieten können als Adjuvantien mit einer kleineren Verteilung. Es lässt sich vermuten, dass durch das Vorhandensein einer enormen Vielzahl einzelner Moleküle, die jeweils einen individuellen spezifischen physikalisch-chemischen Charakter aufweisen, ein großes Spektrum von Eigenschaften bezüglich der Sprayapplikation abgedeckt wird.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Kutikula
KW  - Plant Protection
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138159
ER  - 
TY  - THES
A1  - Merger, Juri
T1  - Optimal Control and Function Identification in Biological Processes
T1  - Optimalsteuerung und Funktionenidentifikation bei biologischen Prozessen
N2  - Mathematical modelling, simulation, and optimisation are core methodologies for future
developments in engineering, natural, and life sciences. This work aims at applying these
mathematical techniques in the field of biological processes with a focus on the wine
fermentation process that is chosen as a representative model.
In the literature, basic models for the wine fermentation process consist of a system of
ordinary differential equations. They model the evolution of the yeast population number
as well as the concentrations of assimilable nitrogen, sugar, and ethanol. In this thesis,
the concentration of molecular oxygen is also included in order to model the change of
the metabolism of the yeast from an aerobic to an anaerobic one. Further, a more sophisticated
toxicity function is used. It provides simulation results that match experimental
measurements better than a linear toxicity model. Moreover, a further equation for the
temperature plays a crucial role in this work as it opens a way to influence the fermentation
process in a desired way by changing the temperature of the system via a cooling
mechanism. From the view of the wine industry, it is necessary to cope with large scale
fermentation vessels, where spatial inhomogeneities of concentrations and temperature
are likely to arise. Therefore, a system of reaction-diffusion equations is formulated in
this work, which acts as an approximation for a model including computationally very
expensive fluid dynamics.
In addition to the modelling issues, an optimal control problem for the proposed
reaction-diffusion fermentation model with temperature boundary control is presented
and analysed. Variational methods are used to prove the existence of unique weak solutions
to this non-linear problem. In this framework, it is possible to exploit the Hilbert
space structure of state and control spaces to prove the existence of optimal controls.
Additionally, first-order necessary optimality conditions are presented. They characterise
controls that minimise an objective functional with the purpose to minimise the final
sugar concentration. A numerical experiment shows that the final concentration of sugar
can be reduced by a suitably chosen temperature control.
The second part of this thesis deals with the identification of an unknown function
that participates in a dynamical model. For models with ordinary differential equations,
where parts of the dynamic cannot be deduced due to the complexity of the underlying
phenomena, a minimisation problem is formulated. By minimising the deviations of simulation
results and measurements the best possible function from a trial function space
is found. The analysis of this function identification problem covers the proof of the
differentiability of the function–to–state operator, the existence of minimisers, and the
sensitivity analysis by means of the data–to–function mapping. Moreover, the presented
function identification method is extended to stochastic differential equations. Here, the
objective functional consists of the difference of measured values and the statistical expected
value of the stochastic process solving the stochastic differential equation. Using a
Fokker-Planck equation that governs the probability density function of the process, the
probabilistic problem of simulating a stochastic process is cast to a deterministic partial
differential equation. Proofs of unique solvability of the forward equation, the existence of
minimisers, and first-order necessary optimality conditions are presented. The application
of the function identification framework to the wine fermentation model aims at finding
the shape of the toxicity function and is carried out for the deterministic as well as the
stochastic case.
N2  - Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung sind wichtige Methoden für
künftige Entwicklungen in Ingenieurs-, Natur- und Biowissenschaften. Ziel der vorliegende
Arbeit ist es diese mathematische Methoden im Bereich von biologischen Prozessen anzuwenden.
Dabei wurde die Weingärung als repräsentatives Modell ausgewählt.
Erste Modelle der Weingärung, die man in der Literatur findet, bestehen aus gewöhnlichen
Differentialgleichungen. Diese modellieren den Verlauf der Populationszahlen der
Hefe, sowie die Konzentrationen von verwertbarem Stickstoff, Zucker und Ethanol. In
dieser Arbeit wird auch die Konzentration von molekularem Sauerstoff betrachtet um den
Wandel des Stoffwechsels der Hefe von aerob zu anaerob zu erfassen. Weiterhin wird
eine ausgefeiltere Toxizitätsfunktion benutzt. Diese führt zu Simulationsergebnissen, die
im Vergleich zu einem linearen Toxizitätsmodell experimentelle Messungen besser reproduzieren
können. Außerdem spielt eine weitere Gleichung für die zeitliche Entwicklung der
Temperatur eine wichtige Rolle in dieser Arbeit. Diese eröffnet die Möglichkeit den Gärprozess
in einer gewünschten Weise zu beeinflussen, indem man die Temperatur durch
einen Kühlmechanismus verändert. Für industrielle Anwendungen muss man sich mit
großen Fermentationsgefäßen befassen, in denen räumliche Abweichungen der Konzentrationen
und der Temperatur sehr wahrscheinlich sind. Daher ist in dieser Arbeit ein
System von Reaktion-Diffusions Gleichungen formuliert, welches eine Approximation an
ein Modell mit rechenaufwändiger Strömungsmechanik darstellt.
Neben der Modellierung wird in dieser Arbeit ein Optimalsteuerungsproblem für das
vorgestellte Gärmodell mit Reaktions-Diffusions Gleichungen und Randkontrolle der Temperatur
gezeigt und analysiert. Variationelle Methoden werden benutzt, um die Existenz
von eindeutigen schwachen Lösungen von diesem nicht-linearen Modell zu beweisen. Das
Ausnutzen der Hilbertraumstruktur von Zustands- und Kontrolraum macht es möglich
die Existenz von Optimalsteuerungen zu beweisen. Zusätzlich werden notwendige Optimalitätsbedingungen erster Ordnung vorgestellt. Diese charakterisieren Kontrollen, die
das Zielfunktional minimieren. Ein numerisches Experiment zeigt, dass die finale Konzentration
des Zuckers durch eine passend ausgewählte Steuerung reduziert werden kann.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung einer unbekannten
Funktion eines dynamischen Modells. Es wird ein Minimierungsproblem für Modelle
mit gewöhnlichen Differentialgleichungen, bei denen ein Teil der Dynamik aufgrund
der Komplexität der zugrundeliegenden Phänomene nicht hergeleitet werden kann, formuliert.
Die bestmögliche Funktion aus einem Testfunktionenraum wird dadurch ausgewählt,
dass Abweichungen von Simulationsergebnissen und Messungen minimiert werden.
Die Analyse dieses Problems der Funktionenidentifikation beinhaltet den Beweis der
Differenzierbarkeit des Funktion–zu–Zustand Operators, die Existenz von Minimierern
und die Sensitivitätsanalyse mit Hilfe der Messung–zu–Funktion Abbildung. Weiterhin
wird diese Funktionenidentifikationsmethode für stochastische Differentialgleichungen erweitert.
Dabei besteht das Zielfunktional aus dem Abstand von Messwerten und dem Erwartungswert des stochastischen Prozesses, der die stochastische Differentialgleichung löst. In dem man die Fokker-Planck Gleichung benutzt wird das wahrscheinlichkeitstheoretische Problem einen stochastischen Prozess zu simulieren in eine deterministische partielle Differentialgleichung überführt. Es werden Beweise für die eindeutige Lösbarkeit der Vorwärtsgleichung, die Existenz von Minimierern und die notwendigen Bedingungen erster Ordnung geführt. Die Anwendung der Funktionenidentifikation auf die Weingärung zielt darauf ab die Form der Toxizitätsfunktion herauszufinden und wird sowohl für den deterministischen als auch für den stochastischen Fall durchgeführt.
KW  - optimal control
KW  - reaction-diffusion
KW  - wine fermentation
KW  - function identification
KW  - infinite dimensional optimization
KW  - Optimale Kontrolle
KW  - Fermentation
KW  - Wein
KW  - Infinite Optimierung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-138900
ER  -