Nutrition in Kindergartens of Kosovo

Einer physiologisch angemessenen Ernährung in der Kindheit wird eine wichtige Rolle in der physischen, mentalen und emotionalen Entwicklung vom Kindes- bis zum späteren Erwachsenenalter zugeschrieben. Obwohl es bisher nur wenige Daten zum Gesundheits- und Ernährungsstatus im Kosovo gibt, zeigen diese Studien aus der Zeit vor und nach dem Kosovokrieg, dass Unterernährung und der Mangel einiger wichtiger Mikronährstoffe bei Kindern im Vorschulalter vorherrschen. Deshalb ist es erforderlich, die Daten von Kindern im Vorschulalter zu erfassen und zu untersuchen, was zum einen durch anthropometrische Parameter als auch durch die Analyse des Nährstoffgehaltes der Mahlzeiten in Kindergärten (Häufigkeit der Mahlzeiten, adäquate Mengen an z.B. Obst und Gemüse, etc.) in dieser Arbeit erfolgt. Diese wissenschaftliche Untersuchung stellt fest, dass das Wachstum der Vorschulkinder und die angebotene Lebensmittelvielfalt ebenso wie die Nähr- und Energiewerte der dargebotenen Mahlzeiten in Kindergärten im Kosovo nur teilweise den internationalen Ernährungsempfehlungen für diese Altersstufe genügen. Der Anteil an untergewichtigen Kindern wird mit 0,7% ermittelt, während 0,5% stark untergewichtig sind. 1,9% der Kinder leiden unter moderater und 0,8% der Kinder leiden unter schwerer akuter Unterernährung. Der Gewicht/Größe Indikator (12-24 Monate alter Kinder) zeigt, dass keine Kinder als adipös einzustufen sind, während 6,8% übergewichtig sind und 34,1% ein mögliches Risiko für Übergewicht zeigen. Die Verteilung der Geschlechter spielt bei Adipositas keine Rolle, da weder Jungen noch Mädchen adipös sind. Jedoch sind 7,4% der Jungen und 5,9% der Mädchen übergewichtig und 29,6% der Jungen und 41,2% der Mädchen zeigen ein mögliches Risiko für Übergewicht. Der BMI Indikator (24-83 Monate alte Kinder) zeigt, dass der Anteil der adipösen Kinder bei 2,3% liegt, während 8,94% übergewichtig sind und 27,3% ein Risiko für mögliches Übergewicht aufweisen. Was das Geschlecht anbelangt, sind 2,68% der Jungen und 1,44% der Mädchen adipös, 10,88% der Jungen und 5,86% der Mädchen sind übergewichtig und 29,12% der Jungen sowie 25,16% der Mädchen zeigen die Tendenz zu einem möglichen Übergewicht. Die durchschnittliche Energieaufnahme (ganztags – 8 Stunden) reicht von 455 kcal im Kindergarten 4 bis hin zu 992 kcal im Kindergarten 1, was 36% und 79% der empfohlenen Tageszufuhr ausmacht. Der durchschnittliche Verzehr von Proteinen/Aminosäuren der Kinder aus allen untersuchten Kindergärten erweist sich als höher als erforderlich für diese Altersstufe. Trotz der durchschnittlichen Aufnahme von 27% der absoluten Fettmenge beträgt der durchschnittliche Anteil der Energie von SFA, MUFA und PUFA nicht mehr als 35% der empfohlenen Menge. Der Gesamtballaststoffaufnahme (ganztags – 8 Stunden) liegt zwischen 2,3 Gramm und 8,1 Gramm, was 30% und 46% der empfohlenen Tageszufuhr ausmacht. Die Aufnahme von Kalzium, Eisen und besonders Jod liegt unter den Empfehlungen, während die Aufnahme von Chlorid und Natrium wesentlich höher ist als die empfohlene tägliche Menge. Die Aufnahme von Folsäure ist in öffentlichen Kindergärten (ganztags – 8 Stunden) relativ gering und deckt lediglich 23% der empfohlenen Tageszufuhr. Die tägliche Vitamin C Aufnahme der Kinder aus öffentlichen Kindergärten ist ziemlich gering und deckt 23% und 28% der empfohlenen Tageszufuhr. Die Ernährung im Kindergarten zeigt Defizite in der Aufnahme von Mikronährstoffen, besonders von Kalzium, Eisen, Jod, Folsäure, Vitamin A, Vitamin C in öffentlichen Kindergärten und Vitamin D. Die überschrittene Aufnahme von Chlorid und Natrium konnte in allen Kindern beobachtet werden, unabhängig von Geschlecht, Alter und dem Kindergarten. Im Kindergarten konsumieren Kinder mehr Lebensmittel mit einer höheren Energiedichte und werden nicht dazu ermutigt, abwechslungsreichere und gesündere Lebensmittel zu wählen. Verarbeitete und raffinierte Lebensmittel werden von Vorschulkindern bereits ab dem ersten Lebensjahr konsumiert. Der Anteil der Kinder, welche ihre Mahlzeiten auslassen beträgt 12,9%, während 30,2% manchmal ihre Mahlzeiten auslassen. Das Ernährungsmuster zeigt geringe Werte für Vollkornprodukte, Früchte und Gemüse, jedoch hohe Werte für Softdrinks, süße und salzige Lebensmittel. Die Aufnahme von Obst und Gemüse der Vorschulkinder ist viel geringer als die täglich empfohlene Portionsmenge. Die Eltern werden nicht angeleitet, Vorschulkindern bei der Schaffung gesunder Ernährungsgewohnheiten zu helfen, demzufolge ist das kindliche Essverhalten und die Ernährungspraxis von den Eltern und ihrem eigenen Ernährungsstil beeinflusst. Nach dieser Studie muss festgestellt werden, dass gesunde Ernährungsmuster bei Vorschulkindern im Kosovo nicht etabliert sind. Im Vergleich zu den bereits durchgeführten Untersuchungen zeigt diese Studie, dass sich im Kosovo eine Ernährungswende andeutet: das Untergewicht im Vorschulalter nimmt leicht ab, jedoch steigt die Prävalenz von Übergewicht und Adipositas. Der beobachtete Anstieg von Übergewicht und Adipositas ist wahrscheinlich eine Konsequenz des rapiden Wandels des Ernährungsverhaltens nach dem Kosovokrieg. Das Land hat bis jetzt noch keine nationalen und lokalen Strategien oder Programme entwickelt, welche die Routineuntersuchungen von Kindern regulieren, um eventuelle negative Trends zu verfolgen und umzukehren. Zur Zeit gibt es keine Ernährungsrichtlinien und nur sehr wenig Beratung für die Menügestaltung in Kindergärten im Kosovo. Als erster Schritt wird empfohlen, dass die Gesellschaft und die Institutionen im Kosovo die Probleme der Unterernährung, des Übergewichts und der Adipositas sowie deren negativen Auswirkungen auf den gesamten Gesundheitsstatus verschiedener Bevölkerungsgruppen, insbesondere der Kinder, anerkennen. Gesundes Wachstum und die Kontrolle der Unterernährung und des Übergewichts im Kindesalter sollte alle Stufen der Gesellschaft einbeziehen. Gesundheits- und Bildungsbehörden im Kosovo sollten nationale Programme zur empfohlenen täglichen Aufnahme und zu Ernährungsrichtlinien für Kinder im Vorschulalter entwickeln. Die Richtlinien sollten Empfehlungen bezüglich Energie, Makro- und Mikronährstoffe in der täglichen Ernährung Auskunft erteilen aber auch über Ernährungsstile und – verhalten sowie das Strukturieren von Mahlzeiten für Vorschulkinder und andere Bevölkerungsgruppen informieren. Die beobachteten Defizite im Bereich der Mikronährstoffaufnahme wie zum Beispiel von Kalzium, Eisen, Jod, Folsäure, Vitamin A, Vitamin C, Vitamin D ebenso wie die zu hohe Aufnahme und Chlorid und Natrium in öffentlichen Kindergärten sollten sofort angesprochen werden. Erzieher in Kindergärten sollten eine Weiterbildung im Bereich der Entwicklung des Ernährungsverhalten bei Vorschulkindern erhalten und die Definitionen von Unterernährung und Übergewicht und deren Prävention kennen. Partnerschaften zwischen Kindergärten und Eltern sind erforderlich, um den Kindern eine gesündere Lebensmittelwahl zu ermöglichen. Kinder im Vorschulalter und auch Kinder anderer Altersgruppen sollten ermutigt werden, ihren Verzehr an Früchten, Gemüse, Vollkornbrot und –getreide sowie ungesättigten Fettsäuren zu steigern und somit mehr pflanzliche Produkte wie Gemüse und Obst zu ihren Gerichten hinzuzufügen. Dies würde auch den Gehalt an Ballaststoffen erhöhen, der in der Kindheit sehr wichtig ist. Es wird empfohlen, verarbeitete Lebensmittel so häufig wie möglich zu vermeiden und unverarbeitete oder minimal verarbeitete Lebensmittel zu bevorzugen. Es ist erforderlich, ein Ernährungssystem zu entwickeln und außerdem die internationalen Wachstumsstandards (WHO oder andere) anzuwenden, welche das Beobachten des Ernährungsstatus‘ bei Kindern durch Routineuntersuchungen regeln, damit eventuelle Negativtrends verfolgt und umgekehrt werden können. Die Entwicklung universitärer Bildungsprogramme mit Bezug auf Ernährung und die Einführung eines Faches zur gesunden Ernährung und zu gesunden Lebensstilen in die Curricula der Bildungsinstitutionen im Kosovo werden empfohlen. Weitere Untersuchungen zum Gesundheitsstatus und zur Ernährungsqualität bei Vorschulkindern würden zusätzliche Einblicke in die der Auswirkung der frühen Lebensjahre auf Beziehung von Kindheitsernährung und Krankheiten gewähren. Die Untersuchung von Gesundheitsrisiken gekoppelt mit ungesunden Ernährungsgewohnheiten bei Vorschulkindern wird empfohlen. Weitere Studien sind nötig, um die Nahrungszufuhr im Kindergarten zu untersuchen, jedoch sollten Vorschulkinder, welche keinen Kindergarten besuchen, ebenfalls mit eingeschlossen werden. Außerdem sind Studien erforderlich, welche die Auswirkungen des steigenden Konsums gesüßter Getränke und anderer Lebensmittel auf Übergewicht und Adipositas untersuchen. Ferner werden Studien empfohlen, um den Gesundheitseffekt der Ernährungsmuster in der Kindheit zu identifizieren. Außerdem sind periodische Studien erforderlich, um die Veränderung der Prävalenz von Übergewicht und Adipositas bei Kindern zukünftig zu vergleichen. Risikofaktoren für Adipositas bei Kindern durch periodische Studien zu identifizieren ist ebenfalls erforderlich, um die Prävalenz der Adipositas bei Kindern in den künftigen Jahren zu vergleichen.

Optimization of Processing Technology for Commercial Drying of Bananas (Matooke)

Summary - Cooking banana is one of the most important crops in Uganda; it is a staple food and source of household income in rural areas. The most common cooking banana is locally called matooke, a Musa sp triploid acuminate genome group (AAA-EAHB). It is perishable and traded in fresh form leading to very high postharvest losses (22-45%). This is attributed to: non-uniform level of harvest maturity, poor handling, bulk transportation and lack of value addition/processing technologies, which are currently the main challenges for trade and export, and diversified utilization of matooke. Drying is one of the oldest technologies employed in processing of agricultural produce. A lot of research has been carried out on drying of fruits and vegetables, but little information is available on matooke. Drying of matooke and milling it to flour extends its shelf-life is an important means to overcome the above challenges. Raw matooke flour is a generic flour developed to improve shelf stability of the fruit and to find alternative uses. It is rich in starch (80 - 85%db) and subsequently has a high potential as a calorie resource base. It possesses good properties for both food and non-food industrial use. Some effort has been done to commercialize the processing of matooke but there is still limited information on its processing into flour. It was imperative to carry out an in-depth study to bridge the following gaps: lack of accurate information on the maturity window within which matooke for processing into flour can be harvested leading to non-uniform quality of matooke flour; there is no information on moisture sorption isotherm for matooke from which the minimum equilibrium moisture content in relation to temperature and relative humidity is obtainable, below which the dry matooke would be microbiologically shelf-stable; and lack of information on drying behavior of matooke and standardized processing parameters for matooke in relation to physicochemical properties of the flour. The main objective of the study was to establish the optimum harvest maturity window and optimize the processing parameters for obtaining standardized microbiologically shelf-stable matooke flour with good starch quality attributes. This research was designed to: i) establish the optimum maturity harvest window within which matooke can be harvested to produce a consistent quality of matooke flour, ii) establish the sorption isotherms for matooke, iii) establish the effect of process parameters on drying characteristics of matooke, iv) optimize the drying process parameters for matooke, v) validate the models of maturity and optimum process parameters and vi) standardize process parameters for commercial processing of matooke. Samples were obtained from a banana plantation at Presidential Initiative on Banana Industrial Development (PIBID), Technology Business Incubation Center (TBI) at Nyaruzunga – Bushenyi in Western Uganda. A completely randomized design (CRD) was employed in selecting the banana stools from which samples for the experiments were picked. The cultivar Mbwazirume which is soft cooking and commonly grown in Bushenyi was selected for the study. The static gravitation method recommended by COST 90 Project (Wolf et al., 1985), was used for determination of moisture sorption isotherms. A research dryer developed for this research. All experiments were carried out in laboratories at TBI. The physiological maturity of matooke cv. mbwazirume at Bushenyi is 21 weeks. The optimum harvest maturity window for commercial processing of matooke flour (Raw Tooke Flour - RTF) at Bushenyi is between 15-21 weeks. The finger weight model is recommended for farmers to estimate harvest maturity for matooke and the combined model of finger weight and pulp peel ratio is recommended for commercial processors. Matooke isotherms exhibited type II curve behavior which is characteristic of foodstuffs. The GAB model best described all the adsorption and desorption moisture isotherms. For commercial processing of matooke, in order to obtain a microbiologically shelf-stable dry product. It is recommended to dry it to moisture content below or equal to 10% (wb). The hysteresis phenomenon was exhibited by the moisture sorption isotherms for matooke. The isoteric heat of sorption for both adsorptions and desorption isotherms increased with decreased moisture content. The total isosteric heat of sorption for matooke: adsorption isotherm ranged from 4,586 – 2,386 kJ/kg and desorption isotherm from 18,194– 2,391 kJ/kg for equilibrium moisture content from 0.3 – 0.01 (db) respectively. The minimum energy required for drying matooke from 80 – 10% (wb) is 8,124 kJ/kg of water removed. Implying that the minimum energy required for drying of 1 kg of fresh matooke from 80 - 10% (wb) is 5,793 kJ. The drying of matooke takes place in three steps: the warm-up and the two falling rate periods. The drying rate constant for all processing parameters ranged from 5,793 kJ and effective diffusivity ranged from 1.5E-10 - 8.27E-10 m2/s. The activation energy (Ea) for matooke was 16.3kJ/mol (1,605 kJ/kg). Comparing the activation energy (Ea) with the net isosteric heat of sorption for desorption isotherm (qst) (1,297.62) at 0.1 (kg water/kg dry matter), indicated that Ea was higher than qst suggesting that moisture molecules travel in liquid form in matooke slices. The total color difference (ΔE*) between the fresh and dry samples, was lowest for effect of thickness of 7 mm, followed by air velocity of 6 m/s, and then drying air temperature at 70˚C. The drying system controlled by set surface product temperature, reduced the drying time by 50% compared to that of a drying system controlled by set air drying temperature. The processing parameters did not have a significant effect on physicochemical and quality attributes, suggesting that any drying air temperature can be used in the initial stages of drying as long as the product temperature does not exceed gelatinization temperature of matooke (72˚C). The optimum processing parameters for single-layer drying of matooke are: thickness = 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode. From practical point of view it is recommended that for commercial processing of matooke, to employ multi-layer drying of loading capacity equal or less than 7 kg/m², thickness 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode.

Experimental and CFD study on low temperature drying of loose and compressed bulks

Die Trocknung ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren, um die Haltbarkeit von landwirtschaftlichen Gütern zu verlängern. Von den vielen gebräuchlichen Trocknungsarten ist die Konvektionstrocknung, die Luft als Energie- und Feuchteträger verwendet, weiterhin die wichtigste. Trotz ihrer Nachteile und ihres hohen spezifischen Energieverbrauchs sind Satztrockner für die Getreide-, Kräuter- und Heutrocknung noch weit verbreitet. Ferner werden Konvektionstrockner gemeinhin zur künstlichen Trocknung eingesetzt. Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts, welches eine sorptionsgestützte solare Trocknung von landwirtschaftlichen Gütern untersucht. Bei dieser wird kühle feuchte Luft in Kontakt mit einer konzentrierten hygroskopischen Salzlösung gebracht. Während dieses Prozesses wird die Luft entfeuchtet und mit Hilfe der freigesetzten Verdampfungsenthalpie erwärmt. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Trocknung landwirtschaftlicher Güter ist besonders interessant für Produkte, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden, um ihre Qualität nicht negativ zu beeinflussen. Bei allen energieintensiven Prozessen und vor allem bei der Verwendung von Solarenergie ist ein effizienter Energieverbrauch äußerst wichtig für den technischen und ökonomischen Erfolg. Eine ungleichmäßige Trocknung ist oftmals bei Satztrocknern zu beobachten, was die Energieeffizienz negativ beeinflusst. Aus diesem Grund lag im agrartechnischen Teil des Projekts der Schwerpunkt auf der Trocknung bei niedrigen Temperaturen und geringer Luftfeuchte, die der Sorptionsprozess liefert, sowie auf der Verbesserung der Luftverteilung und der Gleichmäßigkeit der Trocknung in lockeren und verdichteten Schüttungen. Es wurden Dünnschicht-Trocknungsexperminente für Blattsellerie bei unterschiedlichen Lufttemperaturen und unterschiedlicher relativer Luftfeuchte durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass nicht nur die Lufttemperatur einen großen Einfluss auf die Trocknungsgeschwindigkeit hat, sondern auch die relative Luftfeuchte. Dies ist vor allem bei niedrigen Temperaturen, wie sie vom Sorptionssystem geliefert werden, der Fall. Um die Luftverteilung und Gleichmäßigkeit der Trocknung lockerer Schüttungen zu untersuchen, wurde ein Kistentrockner experimentell und in Strömungssimulationen getestet. Die Leistung des ursprünglichen Trockners wurde signifikant durch einfache Veränderungen des Designs verbessert. Diese stellten einen gleichmäßigeren Luftstrom durch das Produkt sicher. Die Trocknung von Heu-Rundballen stellt eine Herausforderung dar, da diese sehr stark verdichtet sind und die Dichte innerhalb eines Ballens stark schwankt. Strömungs- und Trocknungssimulationen so wie experimentelle Messungen zeigten, dass das Trocknerdesign einen großen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Trocknung hat. Bei den einfachsten Trocknervarianten war die Verteilung auch bei optimal gepressten Ballen unzureichend, während komplexere Trockner eine gleichmäßigere Trocknung erzielten. Jedoch werden auch hier die Ergebnisse stark von der Verteilung der Dichte im Ballen beeinflusst, welche in der Praxis weiterhin nicht ideal ist. Abschließend wurde, um den Trocknungsfortschritt zu überwachen, eine Methodik getestet, bei der zur Messung des durchschnittlichen aktuellen Feuchtegehalts des Produktes psychrometrische Messungen und Messungen des Luftstroms in kurzen Abständen durchgeführt wurden. Die Menge des tatsächlich entfernten Wassers stimmte in den meisten Fällen gut mit der geschätzten Menge überein. Jedoch hängt der Erfolg dieser Methode stark von der Genauigkeit der Messfühler ab.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Dynamische Analyse großer, verkoppelter Systeme mit Methoden der Komplexen Netzwerke am Beispiel des Inverse-Response-Verhaltens

Die zunehmende Vernetzung der Energie-, Stoff- und Informationsströme, z. B. innerhalb von Produktionsanlagen, begründet das Interesse an Methoden, welche eine Analyse der Systemeigenschaften von großen und verkoppelten dynamischen Systemen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium ermöglichen. Dabei ist das Gesamtsystemverhalten von Interesse, welches sowohl auf der Dynamik der Teilsysteme als auch der Verkopplungen beruht. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode zur qualitativen Analyse von Systemen auf Inverse-Response-Verhalten vorgestellt. Der Ansatz nutzt Komplexe Netzwerke zur Modellbeschreibung, wobei diese um Kantengewichte ergänzt werden, welche das dynamische Verhalten des modellierten Systems beschreiben. Der vorgestellte Detektionsalgorithmus vergleicht die Pfade des Graphen zwischen den betrachteten Ein- und Ausgängen. Hierfür werden die aggregierten Kantengewichte der Pfade bestimmt und zur Ermittlung der qualitativen Aussage zum Inverse-Response-Verhalten herangezogen. Der Analyseansatz bietet somit eine einfach anwendbare Alternative zur Auswertung der positiven Nullstellen des Systems, welche auf die notwendige sowie hinreichende Bedingung für das Inverse-Response-Verhalten eines linearen Systems zurückgreift: eine ungerade Anzahl positiver Nullstellen. Das entwickelte Verfahren wurde erfolgreich an einer flexibel konfigurierbaren Prozessinsel der Modellfabrik μPlant des Fachgebiets Mess- und Regelungstechnik der Universität Kassel getestet.

Schlussbericht zum Projekt simject ‐ Simulationsgestütztes logistikintegriertes Projektmanagement im Anlagenbau

Der kundenindividuelle Anlagenbau (z. B. im Bereich Energie-, Kraftwerk- und Umwelttechnik) ist durch ein klassisches Projektgeschäft geprägt und erfordert ein individuelles Projektmanagement in Abhängigkeit von dem zu liefernden Produkt und den jeweiligen kunden- und projektindividuellen Rahmenbedingungen. So steht das Projektmanagement hier vor der Herausforderung, dass Anlagen in Form einer Baustellenfertigung als Unikate realisiert werden müssen, wobei die einzelnen Module häufig an unterschiedlichen Standorten gefertigt und dann unter Beachtung systemtechnischer, konstruktiver, lokaler, logistischer, energetischer, wetterbedingter, zeitlicher und finanzieller Randbedingungen beim Kunden montiert werden müssen. Zudem werden Projekterfahrungen selten über Projekte hinaus weitergereicht, d. h. es erfolgt nur bedingt eine Zusammenführung des Erfahrungswissens, das während der Projektrealisierung anwächst. Zur Risikovermeidung im Projektverlauf und zur Erreichung einer termingerechten Inbetriebnahme sind daher in Erweiterung zu den heutigen Projektmanagementwerkzeugen ergänzende Methoden zur Abschätzung von Projektunsicherheiten und zur Bewertung von Projektplänen, aber auch zur nachhaltige Nutzung von Projektwissen notwendig. Zur Verbesserung des logistikintegrierten Projektmanagements im kundenindividuellen Anlagenbau wurde daher eine Methodik zur projekt- und produktspezifischen Unterstützung des Projektmanagements entwickelt und anhand eines Demonstrators umgesetzt. Statt den Unsicherheiten im Projektverlauf mit zusätzlichen Pufferzeiten zu begegnen, bewertet jetzt eine mit Optimierungs-, Analyse- und Visualisierungsverfahren kombinierte Ablaufsimulation zufällige Einflüsse in den Plänen. Hierdurch wird eine Verbesserung des Risikomanagements in den Projekten erreicht, indem bestehende Unsicherheiten in den Planungsprozessen simuliert und reduziert werden. Um einen transparenten Projektmanagementprozess zu erhalten und auch Erfahrungswissen aus vorangegangenen Projekten einzubinden, lassen sich Referenzprojektpläne unter Berücksichtigung von Restriktionen nutzen, die durch das zu erstellende Produkt, die zu verwendenden Technologien, die zugrundeliegenden Prozesse oder die notwendigen logistischen Ressourcen bedingt sind. Die IT-Architektur der Plattform ist werkzeugneutral, so dass das entwickelte Konzept auf Branchen außerhalb des Anlagenbaus übertragbar ist. Dies haben Vertreter verschiedener Industrieunternehmen des Anlagenbaus aus den Bereichen der Umwelt- und Energietechnik, des Schiffbaus, der Automobilindustrie sowie dem OWL Maschinenbau e.V. bestätigt.

Atomistic-continuum modeling of ultrafast laser-induced melting of silicon targets

In this work, we present an atomistic-continuum model for simulations of ultrafast laser-induced melting processes in semiconductors on the example of silicon. The kinetics of transient non-equilibrium phase transition mechanisms is addressed with MD method on the atomic level, whereas the laser light absorption, strong generated electron-phonon nonequilibrium, fast heat conduction, and photo-excited free carrier diffusion are accounted for with a continuum TTM-like model (called nTTM). First, we independently consider the applications of nTTM and MD for the description of silicon, and then construct the combined MD-nTTM model. Its development and thorough testing is followed by a comprehensive computational study of fast nonequilibrium processes induced in silicon by an ultrashort laser irradiation. The new model allowed to investigate the effect of laser-induced pressure and temperature of the lattice on the melting kinetics. Two competing melting mechanisms, heterogeneous and homogeneous, were identified in our big-scale simulations. Apart from the classical heterogeneous melting mechanism, the nucleation of the liquid phase homogeneously inside the material significantly contributes to the melting process. The simulations showed, that due to the open diamond structure of the crystal, the laser-generated internal compressive stresses reduce the crystal stability against the homogeneous melting. Consequently, the latter can take a massive character within several picoseconds upon the laser heating. Due to the large negative volume of melting of silicon, the material contracts upon the phase transition, relaxes the compressive stresses, and the subsequent melting proceeds heterogeneously until the excess of thermal energy is consumed. A series of simulations for a range of absorbed fluences allowed us to find the threshold fluence value at which homogeneous liquid nucleation starts contributing to the classical heterogeneous propagation of the solid-liquid interface. A series of simulations for a range of the material thicknesses showed that the sample width we chosen in our simulations (800 nm) corresponds to a thick sample. Additionally, in order to support the main conclusions, the results were verified for a different interatomic potential. Possible improvements of the model to account for nonthermal effects are discussed and certain restrictions on the suitable interatomic potentials are found. As a first step towards the inclusion of these effects into MD-nTTM, we performed nanometer-scale MD simulations with a new interatomic potential, designed to reproduce ab initio calculations at the laser-induced electronic temperature of 18946 K. The simulations demonstrated that, similarly to thermal melting, nonthermal phase transition occurs through nucleation. A series of simulations showed that higher (lower) initial pressure reinforces (hinders) the creation and the growth of nonthermal liquid nuclei. For the example of Si, the laser melting kinetics of semiconductors was found to be noticeably different from that of metals with a face-centered cubic crystal structure. The results of this study, therefore, have important implications for interpretation of experimental data on the kinetics of melting process of semiconductors.

Mass transport effects in the borohydride oxidation reaction-Influence of the residence time on the reaction onset and faradaic efficiency

The borohydride oxidation reaction (BOR) was studied on Pt and Au electrodes by cyclic voltammetry in dilute alkaline borohydride solutions (0.1 M NaOH + 10(-3) mol L(-1) NaBH(4)). More specifically, the electrodes were considered as either Vulcan XC72-supported Pt or Au (noted as Pt/C and Au/C, respectively) active layers or smooth Pt or Au surfaces, the latter possibly being covered by a layer of (non-metalized) Vulcan XC72 carbon powder. The BOR onset potential and the number of electrons (n(e-)) exchanged per BH(4)(-) anion (faradaic efficiency) were investigated for these electrodes, to determine whether the residence time of reaction intermediates (at the electrode surface or inside the porous layer) does influence the overall reaction pathway/completion. For the carbon-supported platinum, n(e-) strongly depends on the thickness of the active layer. While thin (ca. 0.5 mu m-thick) Pt/C active layers yield n(e-) < 4, thick layers (approximately 3 mu m) yield n(e-)approximate to 8, which can be ascribed to the sufficient residence time of the molecules formed within the active layer (H(2), by heterogeneous hydrolysis, or BOR intermediates) enabling further (near-complete) oxidation. This puts into evidence that not only the nature of the electrocatalyst is important to reach high BOR efficiency, but also the structure/thickness of the active layer. The same trend applies for Au/C active layers and for smooth Pt or Au surfaces covered with a layer of (inactive) Vulcan XC72. In addition, the BOR onset usually shifts negative when the reaction intermediates are trapped, which suggests that some of the intermediates are more easily oxidized than BH(4)(-) itself; based on literature data, BH(3)OH(-) species is a likely candidate. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Informe nacional de monitoreo de la eficiencia energética de la República Argentina, 2014

Para los países de América Latina y el Caribe, el desarrollo económico con mayores niveles de eficiencia energética resulta ser un importante paso hacia el sendero de la sostenibilidad. Asumiendo una perspectiva de mediano plazo, entre los principales factores que movilizan la promoción de la eficiencia energética cabe considerar a la seguridad en el suministro de la energía, la mayor eficiencia en el gasto y el alto potencial de producir ahorros energéticos, las preocupaciones por mitigar los impactos ambientales fruto de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), lo que obviamente incluye al fenómeno del cambio climático y, en los países en desarrollo, las limitaciones que pudieran generarse en relación a la inversión orientada expandir la oferta energética de los mismos. En los países de América Latina y el Caribe, la calidad de las estadísticas e indicadores de desempeño que permiten cuantificar los resultados de los programas nacionales de eficiencia energética ha sido insuficiente. Para superar esta carencia, la CEPAL ha articulado el Programa Regional BIEE (Base de Indicadores de Eficiencia Energética para América Latina y el Caribe). Siguiendo el proceso técnico-político y la lógica de funcionamiento del programa de análisis y medición de la eficiencia energética más exitoso del mundo, el Programa ODYSSEE desarrollado por la Comisión Europea y gestionado por la agencia Francesa: ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie), y con la expectativa de producir un conjunto de indicadores específicos metodológicamente consistentes, que permitan medir la evolución de los programas nacionales de eficiencia energética, analizar los resultados en el tiempo y - como consecuencia - tomar las decisiones de políticas que correspondan, desde la CEPAL se ha encarado la labor de capacitar y coordinar la acción de los países de la región con miras a desarrollar una herramienta común que facilite esta labor.

Informe nacional de monitoreo de la eficiencia energética de la República de Chile, 2014

En los países de América Latina y el Caribe, la calidad de las estadísticas e indicadores de desempeño que permiten cuantificar los resultados de los programas nacionales de eficiencia energética ha sido insuficiente. Para superar esta carencia, la CEPAL ha articulado el Programa Regional BIEE (Base de Indicadores de Eficiencia Energética para América Latina y el Caribe). Siguiendo el proceso técnico-político y la lógica de funcionamiento del programa de análisis y medición de la eficiencia energética más exitoso del mundo, el Programa ODYSSEE desarrollado por la Comisión Europea y gestionado por la agencia Francesa: ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie), y con la expectativa de producir un conjunto de indicadores específicos metodológicamente consistentes, que permitan medir la evolución de los programas nacionales de eficiencia energética, analizar los resultados en el tiempo y - como consecuencia - tomar las decisiones de políticas que correspondan, desde la CEPAL se ha encarado la labor de capacitar y coordinar la acción de los países de la región con miras a desarrollar una herramienta común que facilite esta labor.

Fenômeno de interferência na densidade de energia em cavidades com duas fronteiras oscilantes

O primeiro objetivo do presente trabalho é calcular a força quântica exata que atua sobre as fronteiras de uma cavidade, bem como o comportamento exato da densidade de energia numa cavidade não estática, onde ambas as fronteiras executam movimentos prescritos arbitrários. O modelo considerado é o do campo escalar não massivo em 1 + 1 dimensões, sendo que o campo obedece à condição de Dirichlet em cada uma das fronteiras. Considerando o vácuo como estado inicial do campo, nós mostramos que a densidade de energia em um dado ponto do espaço-tempo pode ser obtida através do traçado de uma sequência de linhas nulas, conectando o valor da densidade de energia nesse ponto a um certo valor conhecido da densidade de energia em um ponto das “zonas estáticas”. O segundo objetivo é mostrar que para movimentos específicos das fronteiras, particularmente para os quais ambas voltam às suas posições iniciais em instantes múltiplos do comprimento inicial da cavidade, o método exato por nós obtido permite encontrar soluções analíticas escritas como uma expansão em série na variável que controla as amplitudes de movimento das fronteiras. Os resultados analíticos por nós obtidos são aplicáveis a uma vasta classe de movimentos, a qual inclui a grande maioria dos casos ressonantes estudados na literatura. O terceiro objetivo do presente trabalho é investigar, através dos métodos de cálculos desenvolvidos aqui, o fenômeno da interferência na energie e na densidade de energia em cavidades com duas fronteiras móveis, obtendo fórmulas genéricas para os termos de interferência respectivos.