Dynamic visualization of deposition processes within porous media by means of MRI

Poröse Medien finden sich in technischen oder natürlichen Systemen wieder. Speziell in der Wasser- und Abwasseraufbereitung sind poröse Medien weit verbreitet. So werden Festbettfilter gezielt zum Rückhalt von partikulären Stoffen verwendet, dienen der Adsorption von gelösten Stoffen, oder fungieren als Aufwuchsfläche für Mikroorganismen, um den biologische Abbau zu verbessern. Während dem Betrieb kommt es innerhalb der porösen Medien zu Ablagerungen, die einen maßgebenden Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften und damit einhergehend auf die Leistung dieser Verfahren nehmen können. Mithilfe bildgebender Verfahren lassen sich detaillierte Aufnahmen der Ablagerungsvorgänge anfertigen. Diese dienen der qualitativen Prozessaufklärung realer Systeme und können zu deren Optimierung herangezogen werden. Aufgrund der 3-dimensionalen Struktur sind poröse Medien nur wenigen bildgebenden Verfahren zugänglich. In der gegenwärtigen Dissertation wurde die Magnetresonanztomographie (MRI; engl. Magnetic Resonance Imaging) verwendet, aufgrund der Möglichkeit Aufnahmen in-situ, zerstörungsfrei und ohne Tiefenlimitierung anzufertigen. Zudem lassen sich mithilfe der MRI neben strukturellen Aufnahmen auch Strömungsmessungen durchführen. In der gegenwärtigen Arbeit wurde sich im Detail mit den folgenden drei Themen befasst: (I) Dem Aufwuchs von Biofilm auf ein poröses Medium unter alternierender Wasserverfügbarkeit; (II) Dem Verbleib von Partikeln innerhalb von granulierten Belebtschlammbecken während dem anaeroben Füllen des Reaktors; (III) der Abscheidung von Partikeln innerhalb von granulierten Aktivkohlefiltern und der einhergehenden Veränderung des Strömungsfeldes. In Kapitel 2 wurde das Wachstum von Biofilm unter zyklischen Entwässerungs- und Bewässerungsphasen thematisiert. Der Versuch erlaubte die Visualisierung aller vier Bestandteile (Biofilm, poröses Medium, Wasser und Luft). Es zeigte sich, dass der Biofilm hauptsächlich an Porenhälsen aufwuchs, die permament Flüssigkeitsbedeckt blieben. Zu geringerem Ausmaß wurde der Bewuchs von Hohlräumen oder freier Oberflächen festgestellt. Durch das Biofilmwachstum wurde die Wasserrückhaltung nach Entwässerung erhöht. Im Gegenzug erhöhte sich ebenfalls der Einschluss von Luft nach zyklischer Wasserzufuhr. Zusätzlich konnte eine erhöhte Konnektivität der Wasserphase nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass der Biofilm Stoffübergangsprozesse in teilgesättigten porösen Medien durch den Rückhalt von Wasser verbessert. Kapitel 3 thematisiert den Transport und Rückhaltemechanismen verschiedener Partikelgruppen innerhalb von porösen Medien aus granuliertem Belebtschlamm. Im Falle der aeroben Granula wurde gezeigt, dass der Rückhalteprozess von Partikeln größenabhängig ist. Die Partikel im Nanometerbereich waren in der Lage die aeroben Granula zu penetrieren. Gleichzeitig fand eine Immobilisation innerhalb des Biofilms statt, wodurch die Nanopartikel an der Oberfläche des Biofilms immobilisierten und nicht tiefer als 300 µm eindrangen. Die Partikel im Mikrometerbereich konnten zu einem Großteil abgefangen werden und sammelten sich in den Hohlräumen zwischen den aeroben Granula an. Ein Eindringen der Partikel in den Biofilm wurde nicht festgestellt. Aufgrund der Größe der Anhäufungen wird deutlich, dass diese überwiegend nicht direkt an den aeroben Granula anhaften, sondern sich vielmehr in den Hohlräumen ansammeln. In der darauffolgenden Belüftungsphase des Reaktorbetriebs werden Partikelansammlungen mitsamt den aeroben Granula aufgewirbelt, wodurch die Partikel der gesamten Biomasse zwecks Anhaftung und Abbau zur Verfügung stehen. In Kapitel 4 befasst sich mit der Rückhaltung von partikulären Stoffen (SS; engl. suspended solids) auf einem granulierten Aktivkohlefilter (GAC; engl. granulated activated carbon). Bei abwärts gerichteter Durchströmung wurden SS sowohl auf als auch innerhalb des GAC-Filters zurückgehalten. Durch die schrittweise Zugabe von SS konnte der Aufbau des Filterkuchens, Umschichtungen im porösen Medium als auch Änderungen der Einströmwege und Fließgeschwindigkeiten detailliert erfasst werden. Das Auftreten von bevorzugten Einströmwegen hebt hervor, dass die Deckschicht nicht die komplette Oberfläche bedeckte, und SS tiefer in das poröse Medium eingetragen wurden. Neben der Bedeckung des Filters, zeigte eine zunehmende Blockade von Porenhälsen und Komprimierung von SS mögliche Gründe für die schnell ansteigenden Druckverluste auf, die in realen oder pilot-Anlagen beobachtet wurden. Channeling war bereits vor Beginn der Filtration präsent. Hier zeigt sich das mit einer Äquivalentgeschwindigkeit von 28.8 m/h, der GAC Filter weitaus schneller durchströmt wird wie erwartet. Die Grundannahme einer mittleren Fließgeschwindigkeit von 5 m/h bzw. 12.5 m/h (inklusive Porosität), wurde um den Faktor 2,3 übertroffen. Mit zunehmender Filtrationsdauer wurden die Channelingeffekte deutlicher. Nach 3.75 h wurde eine Äquivalentgeschwindigkeit von 68.4 m/h gemessen, die nach 7.75 h auf 100.8 m/h anstieg. Insgesamt ist der Filtrationsprozess aufgrund des rasch zu erwartenden Druckanstiegs nachteilig, weshalb eine separierte und vorgeschaltete Filtration plausibler für die Prozessführung erscheint. Die Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der MRI zur Prozessaufklärung von Ablagerungsprozessen in porösen Medien. Mithilfe der MRI war es möglich, Multikomponentensysteme durch die Auswahl der Aufnahmeparameter und weitergehender Bildanalyse zu visualisieren und zeitlich nachzuverfolgen. Weiterhin stellen die Ergebnisse einzigartige Abbildungen der Ablagerungsvorgänge dynamisch dar, die das bestehende Wissen erweitern und zur Optimierung großtechnischer Prozessabläufe beitragen können

Technical handbook for dengue surveillance, dengue outbreak prediction/detection and outbreak response (Model contingency plan)

This handbook was produced by TDR together with WHO’s Neglected Tropical Diseases (NTD) Department and WHO regional offices in the context of a European Union-financed research programme, the International Research Consortium on Dengue Risk Assessment, Management and Surveillance (IDAMS), to develop an evidence-based handbook for the early outbreak detec-tion and management of dengue fever outbreaks. The handbook targets public health providers, in particular those at national level. It is not an implementation guideline, but a framework for developing a national contingency plan with local adaptations that acknowledge micro-level pro-gramme components. Response planning requires contextual details encompassing the structure of the health and vector control services, the availability of infrastructure and budget, and human resources, and the willingness of staff to cooperate, among others. The aim of this “model contingency plan” is to assist programme managers and planners in devel-oping a national, context-specific, dengue outbreak response plan in order to: (a) detect a dengue outbreak at an early stage through clearly defined and validated alarm signals; (b) precisely define when a dengue outbreak has started; and (c) organize an early response to the alarm signals or an “emergency response” once an outbreak has started. A summary of this document, "Dengue Contingency Planning: From Research to Policy and Practice" (PNTD-D-16-00407R1) has also been published in PLOS Neglected Tropical Diseases

ViR: Vision Retention Networks

Vision Transformers (ViTs) have attracted a lot of popularity in recent years, due to their exceptional capabilities in modeling long-range spatial dependencies and scalability for large scale training. Although the training parallelism of self-attention mechanism plays an important role in retaining great performance, its quadratic complexity baffles the application of ViTs in many scenarios which demand fast inference. This effect is even more pronounced in applications in which autoregressive modeling of input features is required. In Natural Language Processing (NLP), a new stream of efforts have proposed parallelizable models with recurrent formulation that allows for efficient inference in generative applications. Inspired by this trend, we propose a new class of computer vision models, dubbed Vision Retention Networks (ViR), with dual parallel and recurrent formulations, which strike an optimal balance between fast inference and parallel training with competitive performance. In particular, ViR scales favorably for image throughput and memory consumption in tasks that require higher-resolution images due to its flexible formulation in processing large sequence lengths. The ViR is the first attempt to realize dual parallel and recurrent equivalency in a general vision backbone for recognition tasks. We have validated the effectiveness of ViR through extensive experiments with different dataset sizes and various image resolutions and achieved competitive performance. Our code and pretrained models will be made publicly available.Comment: Tech Repor

Quantification of Evaporation and Drainage Processes in Unsaturated Porous Media Using Magnetic Resonance Imaging

The water loss in packed beds was studied spatially and time‐resolved via magnetic resonance imaging on the pore scale. The packed beds were measured under water‐saturated and unsaturated conditions, while the magnetic resonance method allowed a quantitative differentiation between air, liquid, and solid phases exploring the native contrast of the named phases without additional contrast agents. Beside a qualitative image comparison, subsequent quantitative image processing allowed for a detailed spatially resolved determination of water distribution, the differentiation between water transport processes, and the quantification of liquid clusters in 3‐D. Results are presented for two packed beds that show significant differences in their evaporation and drainage dynamics, which are mainly determined by the physical properties of the packed beds. The water loss of the packed bed of 2–4mmquartz particles reached a level below interpretability after 18.2 hr; meanwhile, a successive decrease of the largest liquid cluster volume from 82.5 to 0.7 mm$^{3}$ was observed. The water content of the packed bed of 2 mm glass spheres was still observable after 70.9 hr. During the experiment, no significant changes in the structure of the liquid clusters were measured. The current work displays the applicability of magnetic resonance imaging for porescale investigations without the addition of contrast agents

AISMIG—an interactive server-side molecule image generator

Using a web browser without additional software and generating interactive high quality and high resolution images of bio-molecules is no longer a problem. Interactive visualization of 3D molecule structures by Internet browsers normally is not possible without additional software and the disadvantage of browser-based structure images (e.g. by a Java applet) is their low resolution. Scientists who want to generate 3D molecular images with high quality and high resolution (e.g. for publications or to render a molecule for a poster) therefore require separately installed software that is often not easy to use. The alternative concept is an interactive server-side rendering application that can be interfaced with any web browser. Thus it combines the advantage of the web application with the high-end rendering of a raytracer. This article addresses users who want to generate high quality images from molecular structures and do not have software installed locally for structure visualization. Often people do not have a structure viewer, such as RasMol or Chime (or even Java) installed locally but want to visualize a molecule structure interactively. AISMIG (An Interactive Server-side Molecule Image Generator) is a web service that provides a visualization of molecule structures in such cases. AISMIG-URL:

Investigation of biofilm growth within a monodisperse porous medium under fluctuating water level assessed by means of mri

Microorganisms settle in diverse partially saturated porous media in the form of biofilms. The alteration of hydraulic properties and diffusive transport processes occurs simultaneously with biofilm growth in porous media. Imaging methods offer the ability to directly visualize and quantify alterations on the pore scale. However, imaging methods have mainly observed biofilm growth in completely saturated porous media. The current study used magnetic resonance imaging (MRI) to dynamically visualize biofilm growth within a porous medium under alternating drainage and flushing events. Prior to the MRI experiments, the sample was cultivated for 6 days within a porous medium consisting of 2 mm glass spheres. Starting from day 6, growth was monitored using MRI over a period of 7 days. The approach allowed for a visualization of all fractions (biofilm, water, air, and porous material) after drainage as well as flushing events. Biofilm was found to preferentially grow within permanently wetted areas situated next to pore throats. Furthermore, an increase in the water retention and connectivity of the liquid phase was found. The largest liquid cluster covered 11% (day 6) and 91% (day 12) of the total retained water, suggesting that biofilm growth might improve diffusive transport processes within partially saturated porous medi

Sapere aude!

In der Magisterarbeit mit dem Titel „Sapere aude!“ – Doch ohne Willensfreiheit führt kein Weg aus „selbstverschuldeter Unmündigkeit“ wird entlang philosophischer Positionen aufgezeigt, wie die Menschen durch Vergesellschaftung in Abhängigkeit von ihresgleichen geraten sind und/aber auch, wie sie ihr Zusammenleben gerechter ordnen sollten. - Immanuel Kants Wahlspruch der Aufklärung „sapere aude“ fordert sie auf, es zu „wagen“, ihre Freiheit „zu schmecken“. Im Hinblick auf die von Neurowissenschaftern aufgestellte und veröffentlichte Behauptung, dass die Freiheit des menschlichen Willens nur eine Illusion sei, war zunächst zu prüfen, ob endliche Vernunftwesen überhaupt die Bedingungen der Möglichkeit erfüllen, „aufgeklärt“ zu werden. Da die Behauptung der Neurowissenschaften philosophisch-erkenntnistheoretischer und psychotherapiewissenschaftlicher Argumentation nicht standhält, darf weiterhin von Willensfreiheit ausgegangen werden. Der Weg des Menschen vom Naturzustand in Vergesellschaftung und damit in Abhängigkeit von seinesgleichen und in Unmündigkeit, wird durch die Positionen von Thomas Hobbes, John Locke und Jean-Jacques Rousseau dargestellt, sowie die unterschiedlichen Entwürfe der Genannten, wie Menschen sich organisieren sollten, um in Sicherheit und Frieden und in Freiheit und Gerechtigkeit miteinander leben zu können - mit Betonung auf Rousseaus Forderung und Kern seines Gesellschaftsvertrags: einer gegenseitigen moralischen Verpflichtung zu einem Allgemeinwillen - in Übereinstimmung mit der Position Kants, der Ungleichheit und Ungerechtigkeit ebenfalls scharf kritisierte. Es folgen Überlegungen zur Freiheit, die als „unentrinnbare Möglichkeit“ zur „Selbsterhellung“ führt (Karl Jaspers) - wie viel Freiheit dem Menschen überhaupt zuzutrauen und/aber auch zuzumuten ist (Fjodor M. Dostojewskij, Johann Gottfried Herder, Immanuel Kant) - und worauf ein Mensch „sein’ Sach“ stellen kann (nach Max Stirner: auf seinen Willen als höchstes aber unbestimmtes Prinzip). Es werden philosophische Positionen der Aufklärung in Deutschland dargestellt: Moses Mendelssohns Differenzierung von Aufklärung, Kultur und Bildung - und ausführlich vor allem Kants Schrift von 1784, „Beantwortung der Frage: Was ist Aufklärung?“ - sowie die Rezeption von Kants Vernunftbegriff und seiner neuen Ethik: zunächst durch eine Auswahl von Denkern, die dem „Alleszermalmer“ Kant zeitnah waren und die sich dazu teils begeistert, teils kritisch äußerten. - Vernunftkritik kommt von Friedrich Nietzsche (in einiger Übereinstimmung mit Sigmund Freud), der den notwendig mit Vernunft verbundenen Herrschaftsanspruch sowohl über die äußere wie über die innere Natur des Menschen beklagt und das „erbärmliche Behagen“ in einer Konsumgesellschaft - sowie von Max Weber, der die Menschen aufgrund der instrumentellen Vernunft, die alle Lebensbereiche durchzieht, in einem „stahlharten Gehäuse“ und im Griff „eiskalter Hände“ sieht - und schließlich von Max Horkheimer und Theodor W. Adorno, zwei Repräsentanten der so genannten Frankfurter Schule, deren Dialektik der Aufklärung bis heute als die Aufklärungskritik gilt und die ihre Hauptkritikpunkte gegen Aufklärung und Moderne mit Blick auf Faschismus und Stalinismus gegen Ende der Schreckensherrschaft des Nationalsozialismus in philosophischen Fragmenten in ihrem kalifornischen Exil niedergeschrieben hatten, mit der bitteren Erkenntnis, dass die Menschheit anstatt in einen wahrhaft menschlichen Zustand einzutreten in einer neuen Art der Barbarei zu versinken drohe. Zum Schluss wird die Nähe von Philosophie und Psychotherapie seit der Antike sichtbar gemacht und - was gut zu Immanuel Kants Forderung passt, selber und selbstständig zu denken: Carl R. Rogers „tendenziell anarchischer, in seiner unaufdringlichen Art drastisch subversiver und revolutionärer“ Personzentrierter Psychotherapie-Ansatz mit seiner „stille Revolution“ vorgestellt

GlycomeDB—a unified database for carbohydrate structures

GlycomeDB integrates the structural and taxonomic data of all major public carbohydrate databases, as well as carbohydrates contained in the Protein Data Bank, which renders the database currently the most comprehensive and unified resource for carbohydrate structures worldwide. GlycomeDB retains the links to the original databases and is updated at weekly intervals with the newest structures available from the source databases. The complete database can be downloaded freely or accessed through a Web-interface (www.glycome-db.org) that provides flexible and powerful search functionalities