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Cyber-physical production systems (CPPS) are formed by a flexible and heterogeneous system architecture. Therefore, a comprehensive automation software design requires methods for creating and managing automation software variants. In scope of CPPS, existing approaches do not consider the design of variants combined with software structuring principles. In addition, information from Asset Administration Shells (AAS) is not used sufficiently. Therefore, we propose a novel approach for a comprehensive design of automation software variants based on a domain-specific language (DSL). Thereby, software structuring is provided by the use of several layers with different levels of abstraction. Automation software variants are defined on the mentioned abstraction layers using specific language elements. In order to determine appropriate variants of control programs for particular automation systems, information from AAS is used. Finally, the advantages of the proposed approach are demonstrated in the field of process engineering.
Um Energiesysteme hinsichtlich minimaler Umweltwirkungen zu planen und zu optimieren, werden unter anderem technologiespezifische Daten von Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie benötigt. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, eine solche Datengrundlage für Kleinwindenergieanlagen zu schaffen, um diese in ein ökobilanzbasiertes Energiesystemmodell zu integrieren. Teil dieser Datengrundlage sind Sachbilanzdaten einer Kleinwindenergieanlage, die mithilfe einer ökobilanziellen Untersuchung erzeugt werden. Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Skalierungsmodell lassen sich diese Sachbilanzdaten auf Kleinwindenergieanlagen unterschiedlicher Größe skalieren. Um auch Kosten als Kriterium im Energiesystemmodell zu berücksichtigen, werden die Investitions- und Betriebskosten der Anlage abgeschätzt.
Mithilfe einer Ertragsprognose für einen gewählten Standort in Süddeutschland und der Wirkungsabschätzung werden über den Lebenszyklus einer Kleinwindenergieanlage entstehende Umweltwirkungen je erzeugter Energieeinheit analysiert und ausgewertet. Insbesondere in Bezug auf das Treibhauspotential und die Verknappung fossiler Energieträger zeigt die Energieerzeugung durch die Kleinwindenergieanlage Vorteile verglichen mit dem deutschen Strommix. Das Verknappungspotential von Mineralien und Metallen ist dagegen bei der Kleinwindenergieanlage um ein Vielfaches größer. Die Berechnung von Amortisationszeiten und Stromgestehungskosten erfolgt auf Basis der Investitions- und Betriebskosten und ermöglicht eine Einordnung der Wirtschaftlichkeit. Hierbei zeigt sich, dass die Stromgestehungskosten der betrachteten Kleinwindenergieanlage deutlich höher liegen als bei anderen etablierten erneuerbaren Energieerzeugern.
Es wird das Coaching-Konzept im Detail beschrieben. Voraussetzung für seine Anwendung ist eine Innovationsidee, die aus den Nachhaltigkeitsperspektiven betrachtet werden soll. Das Coaching-Konzept basiert auf einem iterativen Prozess aus konzeptioneller Arbeit sowie Anwendungstests zur Validierung und Optimierung. Es wurde im Rahmen der Entrepreneurship Education an der Hochschule Pforzheim entwickelt und seit 2018 im Rahmen der Veranstaltung „Startup Summer Camp – Sustainable Innovation“ mit dem Schwerpunkt „Nachhaltige Innovation“ angeboten.
Es werden Impulse zu den Zielen der nachhaltigen Entwicklung gegeben. Ein Schwerpunkt ist die Integration von Ökobilanzierung, Bewertung von sozialen Aspekten, Einschätzung des Beitrags zu den SDGs, Life Cycle Thinking und Ökodesign. Dies gibt den Teilnehmenden die Möglichkeit, sich auszuprobieren und eine eigene „nachhaltige Geschäftsidee“ zu entwickeln. Hierzu wird das Bewertungsinstrument „Green Check Your Idea“ (GCYI) (Lang-Koetz et al. 2020) vorgestellt und in Teilen auf die Ideen der Teilnehmenden angewendet. Mit Hilfe der Anwendung des Tools während des Coachings kann ein Verständnis für die Komplexität der Entstehung von Umweltauswirkungen unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus vermittelt werden. Das Coaching wird durch Impulsvorträge und kurze Übungen zu verschiedenen Nachhaltigkeitsaspekten begleitet.
Mit der Magnetpartikelspektroskopie (MPS) steht ein empfindliches Messverfahren für den spezifischen Nachweis von magnetischen Nanopartikeln (MNP) zur Verfügung. Das Verfahren beruht auf der Detektion der nicht-linearen magnetischen dynamischen Suszeptibilität der MNP und eignet sich neben dem direkten Nachweis der MNP auch zur Untersuchung der biologischen Umgebung der MNP in biomedizinischen Anwendungen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das MPS für den Nachweis von Biomolekülen über die Quervernetzung mit MNP untersucht. Als Modellsystem für eine Quervernetzung werden MNP unterschiedlicher Größe eingesetzt, deren organische Hülle mit Streptavidin funktionalisiert ist. Streptavidin ist ein Protein, das spezifisch an Biotin bindet. Des Weiteren wird biotinyliertes BSA (B-BSA) verwendet, das aufgrund mehrerer Biotin-Bindungsstellen die Quervernetzung der MNP ermöglicht. Die spezifische Bindung der Streptavidinmoleküle auf der Oberfläche der MNP an Biotin auf der Oberfläche des BSA führt zu einer Quervernetzung der MNP. Durch die Zunahme des hydrodynamischen Durchmessers der MNP-Agglomerate resultiert ein verändertes dynamisches Magnetisierungsverhalten, das mit Hilfe der MPS gemessen werden kann. Damit hat der Bindungszustand bzw. der Grad der Quervernetzung der MNP einen Einfluss auf das MPS-Signal.
Zur Etablierung der MPS zum Nachweis des Biomoleküls BSA werden Versuchsreihen mit unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen zwischen MNP und B-BSA durchgeführt. Hierbei wird die Abhängigkeit, der durch die Quervernetzung induzierten MPS-Signaländerung, von der Anregungsfeldstärke untersucht. Des Weiteren wird der Einfluss der Inkubationszeit der Proben und der Einfluss eines äußeren Feldes während der Inkubation auf den Grad der Quervernetzung untersucht. Aus den Analysen wird die Nachweisgrenze der Methodik, die Menge an gebundenem BSA und die Sensitivität des Nachweises ermittelt. Die Spezifität der Methodik wird anhand eines Kontrollexperiments mit freiem Biotin bestimmt. Zum Vergleich des Nachweises mit bereits etablierten MNP-basierten Verfahren wird die Kernspin-Relaxometrie (NMR-Relaxometrie) herangezogen.