Studies on Methylene Blue Sensitized Poly(Vinyl Alcohol): Effect of Molecular Weight of the Polymer and Crosslinking Agents on its Holographic Properties

Dept.of Polymer Science and Rubber Technology,Cochin University of Science and Technology

Isolation, purification, characterization and application of proteinaceous protease inhibitor from marine bacterium Pseudomonas mendocina BTMW 301

The microorganisms are recognized as important sources of protease inhibitors which are valuable in the fields of medicine, agriculture and biotechnology. The protease inhibitors of microbial origin are found to be versatile in their structure and mode of inhibition that vary from those of other sources. Although surplus of low molecular weight non-protein protease inhibitors from microorganisms have been reported, there is a dearth of reports on proteinaceous protease inhibitors. The search for new metabolites from marine organisms has resulted in the isolation of more or less 10,000 metabolites (Fuesetani and Fuesetani, 2000) many of which are gifted with pharmacodynamic properties. The existence of marine microorganisms was reported earlier, and they were found to be metabolically and physiologically dissimilar from terrestrial microorganisms. Marine microorganisms have potential as important new sources of enzyme inhibitors and consequently a detailed study of new marine microbial inhibitors will provide the basis for future research (Imada, 2004).

Fins and Fin Rays from Whale Shark (Rhiniodon typus Smith)

The whale shark (Rhiniodon typus Smith) is an under exploited species and it is mainly caught for its liver oil . The processing of shark fin for rays is reported here . The fins have a high content of rays . The yield of fin rays from undried fins ranged from 0 .53 to 4 .40 percent with maximum ray content in the lower lobe of caudal fin . The physical and chemical characteristics of the rays are reported . The total nitrogen content is about 15 to 16 percent (dry weight basis)

Strain induced anomalous red shift in mesoscopic iron oxide prepared by a novel technique

Nano magnetic oxides are promising candidates for high density magnetic storage and other applications. Nonspherical mesoscopic iron oxide particles are also candidate materials for studying the shape, size and strain induced modifications of various physical properties viz. optical, magnetic and structural. Spherical and nonspherical iron oxides having an aspect ratio, ~2, are synthesized by employing starch and ethylene glycol and starch and water, respectively by a novel technique. Their optical, structural, thermal and magnetic properties are evaluated. A red shift of 0⋅24 eV is observed in the case of nonspherical particles when compared to spherical ones. The red shift is attributed to strain induced changes in internal pressure inside the elongated iron oxide particles. Pressure induced effects are due to the increased overlap of wave functions. Magnetic measurements reveal that particles are superparamagnetic. The marked increase in coercivity in the case of elongated particles is a clear evidence for shape induced anisotropy. The decreased specific saturation magnetization of the samples is explained on the basis of weight percentage of starch, a nonmagnetic component and is verified by TGA and FTIR studies. This technique can be modified for tailoring the aspect ratio and these particles are promising candidates for drug delivery and contrast enhancement agents in magnetic resonance imaging

Length-weight relationship, relative condition factor (Kn) and morphometry of Arius subrostratus (Valenciennes, 1840) from a coastal wetland in Kerala

The length – weight relationship and relative condition factor of the shovel nose catfish, Arius subrostratus (Valenciennes, 1840) from Champakkara backwater were studied by examination of 392 specimens collected during June to September 2008. These fishes ranged from 6 to 29 cm in total length and 5.6 to 218 g in weight. The relation between the total length and weight of Arius subrostratus is described as Log W = -1.530+2.6224 log L for males, Log W = - 2.131 + 3.0914 log L for females and Log W = - 1.742 + 2.8067 log L for sexes combined. The mean relative condition factor (Kn) values ranged from 0.75 to 1.07 for males, 0.944 to 1.407 for females and 0.96 to 1.196 for combined sexes. The length-weight relationship and relative condition factor showed that the well-being of A. subrostratus is good. The morphometric measurements of various body parts and meristic counts were recorded. The morphometric measurements were found to be non-linear and there is no significant difference observed between the two sexes. From the present investigation, the fin formula can be written as D: I, 7; P: I, 12; A: 17 – 20; C: 26 – 32. There is no change in meristic counts with the increase in body length.

Investigation on key molecular targets responsible for antidiabetic properties of Symplocos cochinchinensis (Lour.) S. Moore

Diabetes mellitus is a heterogeneous metabolic disorder characterized by hyperglycemia with disturbances in carbohydrate, protein and lipid metabolism resulting from defects in insulin secretion, insulin action or both. Currently there are 387 million people with diabetes worldwide and is expected to affect 592 million people by 2035. Insulin resistance in peripheral tissues and pancreatic beta cell dysfunction are the major challenges in the pathophysiology of diabetes. Diabetic secondary complications (like liver cirrhosis, retinopathy, microvascular and macrovascular complications) arise from persistent hyperglycemia and dyslipidemia can be disabling or even life threatening. Current medications are effective for control and management of hyperglycemia but undesirable effects, inefficiency against secondary complications and high cost are still serious issues in the present prognosis of this disorder. Hence the search for more effective and safer therapeutic agents of natural origin has been found to be highly demanding and attract attention in the present drug discovery research. The data available from Ayurveda on various medicinal plants for treatment of diabetes can efficiently yield potential new lead as antidiabetic agents. For wider acceptability and popularity of herbal remedies available in Ayurveda scientific validation by the elucidation of mechanism of action is very much essential. Modern biological techniques are available now to elucidate the biochemical basis of the effectiveness of these medicinal plants. Keeping this idea the research programme under this thesis has been planned to evaluate the molecular mechanism responsible for the antidiabetic property of Symplocos cochinchinensis, the main ingredient of Nishakathakadi Kashayam, a wellknown Ayurvedic antidiabetic preparation. A general introduction of diabetes, its pathophysiology, secondary complications and current treatment options, innovative solutions based on phytomedicine etc has been described in Chapter 1. The effect of Symplocos cochinchinensis (SC), on various in vitro biochemical targets relevant to diabetes is depicted in Chapter 2 including the preparation of plant extract. Since diabetes is a multifactorial disease, ethanolic extract of the bark of SC (SCE) and its fractions (hexane, dichloromethane, ethyl acetate and 90 % ethanol) were evaluated by in vitro methods against multiple targets such as control of postprandial hyperglycemia, insulin resistance, oxidative stress, pancreatic beta cell proliferation, inhibition of protein glycation, protein tyrosine phosphatase-1B (PTP-1B) and dipeptidyl peptidase-IV (DPPxxi IV). Among the extracts, SCE exhibited comparatively better activity like alpha glucosidase inhibition, insulin dependent glucose uptake (3 fold increase) in L6 myotubes, pancreatic beta cell regeneration in RIN-m5F and reduced triglyceride accumulation in 3T3-L1 cells, protection from hyperglycemia induced generation of reactive oxygen species in HepG2 cells with moderate antiglycation and PTP-1B inhibition. Chemical characterization by HPLC revealed the superiority of SCE over other extracts due to presence of bioactives (beta-sitosterol, phloretin 2’glucoside, oleanolic acid) in addition to minerals like magnesium, calcium, potassium, sodium, zinc and manganese. So SCE has been subjected to oral sucrose tolerance test (OGTT) to evaluate its antihyperglycemic property in mild diabetic and diabetic animal models. SCE showed significant antihyperglycemic activity in in vivo diabetic models. Chapter 3 highlights the beneficial effects of hydroethanol extract of Symplocos cochinchinensis (SCE) against hyperglycemia associated secondary complications in streptozotocin (60 mg/kg body weight) induced diabetic rat model. Proper sanction had been obtained for all the animal experiments from CSIR-CDRI institutional animal ethics committee. The experimental groups consist of normal control (NC), N + SCE 500 mg/kg bwd, diabetic control (DC), D + metformin 100 mg/kg bwd, D + SCE 250 and D + SCE 500. SCEs and metformin were administered daily for 21 days and sacrificed on day 22. Oral glucose tolerance test, plasma insulin, % HbA1c, urea, creatinine, aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), albumin, total protein etc. were analysed. Aldose reductase (AR) activity in the eye lens was also checked. On day 21, DC rats showed significantly abnormal glucose response, HOMA-IR, % HbA1c, decreased activity of antioxidant enzymes and GSH, elevated AR activity, hepatic and renal oxidative stress markers compared to NC. DC rats also exhibited increased level of plasma urea and creatinine. Treatment with SCE protected from the deleterious alterations of biochemical parameters in a dose dependent manner including histopathological alterations in pancreas. SCE 500 exhibited significant glucose lowering effect and decreased HOMA-IR, % HbA1c, lens AR activity, and hepatic, renal oxidative stress and function markers compared to DC group. Considerable amount of liver and muscle glycogen was replenished by SCE treatment in diabetic animals. Although metformin showed better effect, the activity of SCE was very much comparable with this drug. xxii The possible molecular mechanism behind the protective property of S. cochinchinensis against the insulin resistance in peripheral tissue as well as dyslipidemia in in vivo high fructose saturated fat diet model is described in Chapter 4. Initially animal were fed a high fructose saturated fat (HFS) diet for a period of 8 weeks to develop insulin resistance and dyslipidemia. The normal diet control (ND), ND + SCE 500 mg/kg bwd, high fructose saturated fat diet control (HFS), HFS + metformin 100 mg/kg bwd, HFS + SCE 250 and HFS + SCE 500 were the experimental groups. SCEs and metformin were administered daily for the next 3 weeks and sacrificed at the end of 11th week. At the end of week 11, HFS rats showed significantly abnormal glucose and insulin tolerance, HOMA-IR, % HbA1c, adiponectin, lipid profile, liver glycolytic and gluconeogenic enzyme activities, liver and muscle triglyceride accumulation compared to ND. HFS rats also exhibited increased level of plasma inflammatory cytokines, upregulated mRNA level of gluconeogenic and lipogenic genes in liver. HFS exhibited the increased expression of GLUT-2 in liver and decreased expression of GLUT-4 in muscle and adipose. SCE treatment also preserved the architecture of pancreas, liver, and kidney tissues. Treatment with SCE reversed the alterations of biochemical parameters, improved insulin sensitivity by modifying gene expression in liver, muscle and adipose tissues. Overall results suggest that SC mediates the antidiabetic activity mainly via alpha glucosidase inhibition, improved insulin sensitivity, with antiglycation and antioxidant activities.

Studies on Selected Myctophid Fishes in Arabian Sea with respect to their Status in Deep Sea Trawl Bycatch, Length-Weight Relationship, Reproductive Biology and Population Dynamics

Available information on abundance of myctophids and their utilisation indicate that there is excellent scope for development of myctophid fisheries in Indian Ocean. Most of the conventional fish stocks have reached a state of full exploitation or over-exploitation. Hence there is need to locate new and conventional fishery resources in order to fill in the supply-demand gap, in the face of increasing demand for fish. Information on length-weight relationship, age and growth, spawning season, fecundity and age at maturity and information on bycatch discards are required for sustainable utilization of myctophid resource in the Indian Ocean

Analyse und Beschreibung des Innengewindefertigungsverfahrens Gewindefurchen auf Basis eines Modellversuchs

Das Gewindefurchen ist ein spanloses Fertigungsverfahren zur Herstellung von Innengewinden. Es bietet wesentliche Vorteile gegenüber der spanenden Innengewindeherstellung, wie z.B. keine Notwendigkeit zur Spanentsorgung, höhere Festigkeit der Gewindeflanken und eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit. Um die Vorteile des Verfahrens unter wirtschaftlichen und technologischen Aspekten besser auszunutzen, bietet die Weiterentwicklung der Werkzeuggeometrie sowohl im makroskopischen als auch im mikroskopischen Bereich ein enormes Potential, welches nicht nur bezüglich der Standzeit bzw. Standmenge und Prozessgeschwindigkeit, sondern auch hinsichtlich der Qualität der erzeugten Gewinde erschlossen werden sollte. Durch die empirische Untersuchung der technischen und physikalischen Eigenschaften am Gewindefurcher sollen der Anformbereich und die Formkeilgeometrie in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter und Werkstoffe verbessert werden, um optimale Bearbeitungsergebnisse hinsichtlich der hergestellten Gewindefurchen und des auftretenden Verschleißes am Gewindefurcher bzw. Formkeils zu erreichen. Die Basis dieser Untersuchungen bildet ein neuartiger Modellversuch, bei dem modifizierte Gewindefurcher verwendet werden, die derart umgestaltet sind, dass von einem üblichen Gewindefurcher durch Umschleifen nur noch ein einzelner Gewindegang am Werkzeug verbleibt. Dadurch ist es möglich, in einer vergrößerten Vorbohrung mit einem Formkeil die einzelnen Umformstufen beim Gewindefurchen separat zu fertigen, die auftretenden Prozesskräfte während des Eingriffs in das Werkstück zu messen und das Bearbeitungsergebnis im Werkstück und den Verschleiß am Formkeil zu bewerten. Weiterhin wird eine rein theoretische Methode beschrieben, mit der die Berechnung der Umformkraft und darauf basierend der Furchmomente am Formkeil bzw. dem ganzen Gewindefurcher möglich ist. Durch die Kenntnis der berechneten Kräfte und Momente am einzelnen Formkeil bzw. dem Gewindefurcher kann bereits in der Konzeptionsphase eines Gewindefurchers eine Anpassung des Werkszeuges an die jeweiligen Bearbeitungsanforderungen durchgeführt werden, wodurch der Entwurf von Gewindefurchern wesentlich wirtschaftlicher realisierbar ist, als durch rein empirische Herangehensweisen.

Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Mikrostrukturierte Sensoren für die pH-Wert-Bestimung auf Basis von dünnen, intrinisch leitfähigen Polyanilinschichten

Der pH-Wert stellt in der Chemie, Physik, Biologie, Pharmazie und Medizin eine wichtige Meßgröße dar, da eine Vielzahl von Reaktionen durch den pH-Wert bestimmt wird. In der Regel werden zur pH-Wert-Messung Glaselektroden eingesetzt. Hierbei konnte der pH-sensitive Bereich zwar bis auf einige Mikrometer reduziert werden, aber die Gesamtab-messungen betragen immer noch 15-20 cm. Mit der Einführung miniaturisierter Reaktionsgefäße ist daher der Bedarf an miniaturisierten Sensoren enorm gestiegen. Um in solchen Gefäßen Reaktionsparameter wie z. B. den pH-Wert zu kontrollieren, müssen die Gesamtabmessungen der Sensoren verringert werden. Dies lässt sich mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik von Silizium realisieren. Hiermit lassen sich Strukturen und ganze Systeme bis in den Nanometerbereich herstellen. Basierend auf Silizium und Gold als Elektrodenmaterial wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Interdigitalstrukturen hergestellt. Um diese Strukturen zur pH-Wert-Messungen einsetzen zu können, müssen sie mit einer pH-sensitiven Schicht versehen werden. Hierbei wurde Polyanilin, ein intrinsisch leitendes Polymer, aufgrund seine pH-abhängigen elektrischen und optischen Verhaltens eingesetzt. Die Beschichtung dieser Sensoren mit Polyanilin erfolgte vorwiegend elektrochemisch mit Hilfe der Zyklovoltammetrie. Neben der Herstellung reiner Polyanilinfilme wurden auch Kopolymerisationen von Anilin und seinen entsprechenden Aminobenzoesäure- bzw. Aminobenzensulfonsäurederivaten durchgeführt. Ergebnisse dazu werden vorgestellt und diskutiert. Zur Charakterisierung der resultierenden Polyanilin- und Kopolymerfilme auf den Inter-digitalstrukturen wurden mit Hilfe der ATR-FT-IR-Spektroskopie Spektren aufgenommen, die gezeigt und diskutiert werden. Eine elektrochemische Charakterisierung der Polymere erfolgte mittels der Zyklovoltammetrie. Die mit Polyanilin bzw. seinen Kopolymeren beschichteten Sensoren wurden dann für Widerstandsmessungen an den Polymerfilmen in wässrigen Medien eingesetzt. Polyanilin zeigt lediglich eine pH-Sensitivität in einem pH-Bereich von pH 2 bis pH 4. Durch den Einsatz der Kopolymere konnte dieser pH-sensitive Bereich jedoch bis zu einem pH-Wert von 10 ausgeweitet werden. Zur weiteren Miniaturisierung der Sensoren wurde das Konzept der interdigitalen Elektroden-paare auf Cantilever übertragen. Die pH-sensitive Zone konnte dabei auf 500 µm2 bei einer Gesamtlänge des Sensors (Halter mit integriertem Cantilever) von 4 mm reduziert werden. Neben den elektrischen pH-abhängigen Eigenschaften können auch die optischen Eigen-schaften des Polyanilins zur pH-Detektion herangezogen werden. Diese wurden zunächst mit Hilfe der UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen Spektren werden gezeigt und kurz diskutiert. Mit Hilfe eines Raster-Sonden-Mikroskops (a-SNOM, Firma WITec) wurden Reflexionsmessungen an Polyanilinschichten durchgeführt. Zur weiteren Miniaturisierung wurden Siliziumdioxidhohlpyramiden (Basisfläche 400 µm2) mit Spitzenöffnungen in einem Bereich von 50-150 nm mit Polyanilin beschichtet. Auch hier sollten die optischen Eigenschaften des Polyanilins zur pH-Wert-Sensorik ausgenutzt werden. Es werden erste Messungen an diesen Strukturen in Transmission diskutiert.

Fourier-Matrizen und Ringe mit Basis

Bei der Bestimmung der irreduziblen Charaktere einer Gruppe vom Lie-Typ entwickelte Lusztig eine Theorie, in der eine sogenannte Fourier-Transformation auftaucht. Dies ist eine Matrix, die nur von der Weylgruppe der Gruppe vom Lie-Typ abhängt. Anhand der Eigenschaften, die eine solche Fourier- Matrix erfüllen muß, haben Geck und Malle ein Axiomensystem aufgestellt. Dieses ermöglichte es Broue, Malle und Michel füur die Spetses, über die noch vieles unbekannt ist, Fourier-Matrizen zu bestimmen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Untersuchung und neue Interpretation dieser Fourier-Matrizen, die hoffentlich weitere Informationen zu den Spetses liefert. Die Werkzeuge, die dabei entstehen, sind sehr vielseitig verwendbar, denn diese Matrizen entsprechen gewissen Z-Algebren, die im Wesentlichen die Eigenschaften von Tafelalgebren besitzen. Diese spielen in der Darstellungstheorie eine wichtige Rolle, weil z.B. Darstellungsringe Tafelalgebren sind. In der Theorie der Kac-Moody-Algebren gibt es die sogenannte Kac-Peterson-Matrix, die auch die Eigenschaften unserer Fourier-Matrizen besitzt. Ein wichtiges Resultat dieser Arbeit ist, daß die Fourier-Matrizen, die G. Malle zu den imprimitiven komplexen Spiegelungsgruppen definiert, die Eigenschaft besitzen, daß die Strukturkonstanten der zugehörigen Algebren ganze Zahlen sind. Dazu müssen äußere Produkte von Gruppenringen von zyklischen Gruppen untersucht werden. Außerdem gibt es einen Zusammenhang zu den Kac-Peterson-Matrizen: Wir beweisen, daß wir durch Bildung äußerer Produkte von den Matrizen vom Typ A(1)1 zu denen vom Typ C(1) l gelangen. Lusztig erkannte, daß manche seiner Fourier-Matrizen zum Darstellungsring des Quantendoppels einer endlichen Gruppe gehören. Deswegen ist es naheliegend zu versuchen, die noch ungeklärten Matrizen als solche zu identifizieren. Coste, Gannon und Ruelle untersuchen diesen Darstellungsring. Sie stellen eine Reihe von wichtigen Fragen. Eine dieser Fragen beantworten wir, nämlich inwieweit rekonstruiert werden kann, zu welcher endlichen Gruppe gegebene Matrizen gehören. Den Darstellungsring des getwisteten Quantendoppels berechnen wir für viele Beispiele am Computer. Dazu müssen unter anderem Elemente aus der dritten Kohomologie-Gruppe H3(G,C×) explizit berechnet werden, was bisher anscheinend in noch keinem Computeralgebra-System implementiert wurde. Leider ergibt sich hierbei kein Zusammenhang zu den von Spetses herrührenden Matrizen. Die Werkzeuge, die in der Arbeit entwickelt werden, ermöglichen eine strukturelle Zerlegung der Z-Ringe mit Basis in bekannte Anteile. So können wir für die meisten Matrizen der Spetses Konstruktionen angeben: Die zugehörigen Z-Algebren sind Faktorringe von Tensorprodukten von affinen Ringe Charakterringen und von Darstellungsringen von Quantendoppeln.

Test for basis-set errors in relativistic Dirac-Fock-Slater calculations with a numerical AO-DFS-basis

A fully relativistic four-component Dirac-Fock-Slater program for diatomics, with numerically given AO's as basis functions is presented. We discuss the problem of the errors due to the finite basis-set, and due to the influence of the negative energy solutions of the Dirac Hamiltonian. The negative continuum contributions are found to be very small.

Entwurf und Betrieb von Regelungs- und Monitoringsystemen für dezentrale Energiesysteme auf der Basis von verteilten Embedded Systems

Nach einem einleitenden ersten Kapitel wird im zweiten Kapitel der Stand der Technik für Regelungs- und Monitoringsysteme mit vernetzten Systemen dargestellt. Daraus wird die Motivation zur Entwicklung neuer, kostengünstiger Systeme abgeleitet. Im dritten Kapitel folgt eine Darstellung der verschiedenen Arten marktverfügbarer Embedded Systems und dafür geeigneter Betriebs­systeme. Anforderungen an verteilte Regelungssysteme, unterschiedliche Strukturen dieser Systeme und deren Vor- und Nachteile sind Gegenstand des vierten Kapitels. Anhand von Beispielen aus den Bereichen Erzeugungsmanagement für den Betrieb von KWK-Anlagen, Energieverbrauchsmonitoring und Smart-Metering wird der Einsatz von verteilten Regelungs- und Monitoringsystemen im fünften Kapitel dargestellt. Im folgenden sechsten Kapitel wird die Bedeutung normierter Kommunikation für den Einsatz in verteilten Systemen sowie dafür vorhandene Standards aus der elektrischen Energieversorgungstechnik und der Automatisierungstechnik behandelt. Der Stand der Internet-Technik für verteilte Systeme ist Gegenstand des siebten Kapitels. Dabei werden zunächst die verschiedenen drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationsmedien vorgestellt und ihre Eigenschaften und die Rand­bedingungen für ihren Einsatz erörtert. Ebenso werden technische Probleme beim Einsatz der Internet-Technik aufgezeigt und Lösungsmöglichkeiten für diese Probleme dargestellt. Es folgt eine Übersicht von Netzwerkdiensten, die für den Betrieb von verteilten Systemen notwendig sind. Außerdem werden Techniken zur Überwachung von verteilten Systemen behandelt. Kapitel acht zeigt Sicherheitsrisiken bei der Nutzung des Internets auf und bewertet verschiedene Techniken zur Absicherung des Netzwerkverkehrs. Kapitel neun stellt ein Internet-basiertes Client-Server-System zur Online-Visualisierung von Anlagendaten im Webbrowser mit Hilfe von Java-Applets und XML-RPC vor. Die Visualisierung von Anlagendaten auf Mobiltelefonen mit Hilfe des Wireless Application Protocol sowie die dafür notwendige Software und Infrastruktur ist Gegenstand des zehnten Kapitels. Im elften Kapitel wird eine neuartige Software für die Simulation von dezentralen Energiesystemen und deren Regelungs­systemen auf Basis von virtuellen Maschinen, virtuellen Netzwerken und einer thermischen Simulationsumgebung vorgestellt sowie deren Anwendung für die Reglerentwicklung erklärt. Verschiedene Techniken für die Installation von Betriebssystemen und Software für die Embedded Systems eines verteilten Systems werden im Kapitel zwölf untersucht. Im Kapitel 13 werden verschiedene Technologien zur Konfiguration und Parametrierung von Regelungssystemen in der industriellen Prozess- und Fertigungs­automatisierung hinsichtlich ihrer Eignung für dezentrale Energiesysteme analysiert. Anschließend wird eine Software zur Installation und Parametrierung von Monitoringsystemen sowie der dazugehörigen Infrastruktur vorgestellt. Kapitel 14 beschäftigt sich mit Anforderungen an die Hardware für verteilte Systeme und mit Maßnahmen zur Erhöhung der Betriebs- und der Datensicherheit. Im 15. Kapitel werden die in den bisherigen Kapiteln vorgestellten Techniken anhand eines großen verteilten Monitoringsystems und anhand eines Power Flow and Power Quality Management Systems auf Basis von verteilten Embedded Systems evaluiert. Kapitel 16 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und enthält einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Horizontal nutrient fluxes and production efficiencies in urban and peri-urban crop and livestock husbandry of Niamey, Niger

Urban and peri-urban agriculture (UPA) increasingly supplies food and non-food values to the rapidly growing West African cities. However, little is known about the resource use efficiencies in West African small-scale UPA crop and livestock production systems, and about the benefits that urban producers and retailers obtain from the cultivation and sale of UPA products. To contribute to filling this gap of knowledge, the studies comprising this doctoral thesis determined nutrient use efficiencies in representative urban crop and livestock production system in Niamey, Niger, and investigated potential health risks for consumers. Also assessed was the economic efficiency of urban farming activities. The field study, which was conducted during November 2005 to January 2008, quantified management-related horizontal nutrient flows in 10 vegetable gardens, 9 millet fields and 13 cattle and small ruminant production units. These farms, selected on the basis of a preceding study, represented the diversity of UPA crop and livestock production systems in Niamey. Based on the management intensity, the market orientation and especially the nutrient input to individual gardens and fields, these were categorized as high or low input systems. In the livestock study, high and low input cattle and small ruminant units were differentiated based on the amounts of total feed dry matter offered daily to the animals at the homestead. Additionally, economic returns to gardeners and market retailers cultivating and selling amaranth, lettuce, cabbage and tomato - four highly appreciated vegetables in Niamey were determined during a 6-months survey in forty gardens and five markets. For vegetable gardens and millet fields, significant differences in partial horizontal nutrient balances were determined for both management intensities. Per hectare, average annual partial balances for carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) amounted to 9936 kg C, 1133 kg N, 223 kg P and 312 kg K in high input vegetable gardens as opposed to 9580 kg C, 290 kg N, 125 kg P and 351 kg K in low input gardens. These surpluses were mainly explained by heavy use of mineral fertilizers and animal manure to which irrigation with nutrient rich wastewater added. In high input millet fields, annual surpluses of 259 kg C ha-1, 126 kg N ha-1, 20 kg P ha-1 and 0.4 kg K ha-1 were determined. Surpluses of 12 kg C ha-1, 17 kg N ha-1, and deficits of -3 kg P ha-1 and -3 kg K ha-1 were determined for low input millet fields. Here, carbon and nutrient inputs predominantly originated from livestock manure application through corralling of sheep, goats and cattle. In the livestock enterprises, N, P and K supplied by forages offered at the farm exceeded the animals’ requirements for maintenance and growth in high and low input sheep/goat as well as cattle units. The highest average growth rate determined in high input sheep/goat units was 104 g d-1 during the cool dry season, while a maximum average gain of 70 g d-1 was determined for low input sheep/goat units during the hot dry season. In low as well as in high input cattle units, animals lost weight during the hot dry season, and gained weight during the cool dry season. In all livestock units, conversion efficiencies for feeds offered at the homestead were rather poor, ranging from 13 to 42 kg dry matter (DM) per kg live weight gain (LWG) in cattle and from 16 to 43 kg DM kg-1 LWG in sheep/goats, pointing to a substantial waste of feeds and nutrients. The economic assessment of the production of four high value vegetables pointed to a low efficiency of N and P use in amaranth and lettuce production, causing low economic returns for these crops compared to tomato and cabbage to which inexpensive animal manure was applied. The net profit of market retailers depended on the type of vegetable marketed. In addition it depended on marketplace for amaranth and lettuce, and on season and marketplace for cabbage and tomato. Analysis of faecal pathogens in lettuce irrigated with river water and fertilized with animal manure indicated a substantial contamination by Salmonella spp. with 7.2 x 104 colony forming units (CFU) per 25 g of produce fresh matter, while counts of Escherichia coli averaged 3.9 x 104 CFU g-1. In lettuce irrigated with wastewater, Salmonella counts averaged 9.8 x 104 CFU 25 g-1 and E. coli counts were 0.6 x 104 CFU g-1; these values exceeded the tolerable contamination levels in vegetables of 10 CFU g-1 for E. coli and of 0 CFU 25 g-1 for Salmonella. Taken together, the results of this study indicate that Niamey’s UPA enterprises put environmental safety at risk since excess inputs of N, P and K to crop and livestock production units favour N volatilisation and groundwater pollution by nutrient leaching. However, more detailed studies are needed to corroborate these indications. Farmers’ revenues could be significantly increased if nutrient use efficiency in the different production (sub)systems was improved by better matching nutrient supply through fertilizers and feeds with the actual nutrient demands of plants and animals.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.