Abgeschlossene Forschungsvorhaben


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Analyse und Modellierung der Biomethanisierung von pflanzlicher Biomasse

Das Verbundprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über einen Zeitraum von drei Jahren. Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Grundlagenerkenntnissen, die es erlauben, den Prozess der Methanogenese pflanzlicher Biomasse genauer zu identifizieren und mathematisch zu modellieren. Die zentrale Hypothese des Forschungsvorhabens lautet, dass die syntrophe Acetatoxidation eine signifikante Bedeutung für den anaeroben Abbauprozess pflanzlicher Biomasse besitzt. Demnach erfolgt die Methanerzeugung in weit größerem Maße über die hydrogenotrophe Methanogenese als allgemein angenommen. In diesem Falle müsste für nachwachsende Rohstoffe die grundsätzlich wissenschaftlich etablierte mathematische Beschreibung der Fermentation im Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) korrigiert werden. Der Schwerpunkt der beantragten Untersuchungen liegt im Vorhaben auf der anaeroben mikrobiologischen Umsetzung der Essigsäure bei der Vergärung pflanzlicher Biomasse. Ein weitergehendes Verständnis und die verbesserte mathematische Beschreibung der Methanogenese soll erreicht werden durch (1) den labortechnischen Betrieb einer geeigneten Modellfermentation zur gezielten Untersuchung zentraler Abbauwege, (2) die Identifizierung und Quantifizierung prozessbestimmender Mikroorganismen und (3) die Quantifizierung der C-Umsatzraten mittels Isotopenanalyse. Durch das in den Versuchseinstellungen gewonnene Datenmaterial lässt sich eine geeignete Modellierung der Abbauwege pflanzlicher Biomasse erreichen.



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Nachhaltige urbane Kulturlandschaft in der Metropole Ruhr - Optimierung regionaler Energie- und Stoffströme mit Hilfe eines Konzeptes zur Nutzung von Abwasser und landwirtschaftlicher Biomasse in der Metropole Ruhr

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat unserem Lehrstuhl ein dreijähriges Forschungsprojekt mit dem Titel „Optimierung regionaler Energie- und Stoffströme mit Hilfe eines Konzeptes zur Nutzung von Abwasser und landwirtschaftlicher Biomasse“ bewilligt. Das Forschungsvorhaben ist Teil des Verbundprojektes „Nachhaltige urbane Kulturlandschaft in der Metropole Ruhr“, welches aus der BMBF-Fördermaßnahme „Nachhaltiges Landmanagement“ entstanden ist. Verbundleiter ist die Abteilung Angewandte Zoologie/Hydrobiologie der Universität Duisburg-Essen, die Koordination erfolgt durch das Zentrum für Wasser- und Umweltforschung der Universität Duisburg-Essen. Das Verbundprojekt steht vor dem Hintergrund des Wandels des Ruhrgebiets in den letzten Jahrzehnten vom Kohlerevier zur Dienstleistungsstruktur, der u.a. eine Umnutzung ehemaliger Bergbau- und Industrieflächen erfordert unter der Zielsetzung einer nachhaltigen Entwicklung der Region. Ein Schwerpunkt des Verbundes liegt auf der Nutzung von Synergieeffekten im Bereich Wasser, Energie und Landmanagement. Unser Lehrstuhl verfolgt innerhalb des Vorhabens das Ziel, ein ganzheitliches Abwasserreinigungssystem zu entwickeln, welches sowohl den Energiegehalt des Abwassers mittels anaerober Verfahren als auch die Nährstoffe in einem nachhaltigen Stoffkreislauf nutzt. Geschlossene Stoffkreisläufe und regionale Wertstoffnetze entstehen dabei, wenn die für die Energieproduktion nicht genutzten Nährstoffe des Abwassers für die Bewässerung von Parks- und Freizeitflächen genutzt werden. Darauf aufbauend wird die dort entstehende energiereiche Biomasse wie Blätter, Gräser, etc. zur Biogasproduktion genutzt. Energetisch wünschenswert ist die gemeinsame Fermentation mit Kohlenstoffanteilen des Abwassers. Über die Biogas-/Energieproduktion können auf diesem Wege energieeffiziente Wohneinheiten mit angeschlossenen Parks und hohem Freizeitwert entstehen, die im Zuge eines nachhaltigen Landmanagements sowohl der Forderung nach einer nachhaltigen Energieproduktion als auch nach regionalen Wertschöpfungsnetzen gerecht werden. Das Verbundvorhaben ist in 12 Teilprojekte gegliedert und wird transdisziplinär von 10 direkten Kooperationspartnern bearbeitet. Weitergehende Informationen: http://www.kularuhr.de/ und http://nachhaltiges-landmanagement.de/



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Untersuchungen zur bedarfsorientierten Kanalreinigung unter Nutzung betrieblicher Synergien

Die Kanalreinigung ist ein wichtiger Beitrag zur Funktionserhaltung der Kanalisation und beansprucht einen beträchtlichen Anteil der Budgets der Kommunen in Nordrhein-Westfalen. Die praktische Umsetzung der SüwVKan, die in Nordrhein-Westfalen die Häufigkeit der Überprüfung von Kanalbauwerken regelt, erfolgt in den Kommunen häufig derart, dass das gesamte Kanalnetz ohne vorherige Überprüfung des Ablagerungszustandes vorsorglich alle ein bis zwei Jahre gereinigt wird. Erfahrungen zeigen jedoch, dass bei einigen der so gereinigten Kanäle kein Reinigungsbedarf besteht. Sie weisen zum Zeitpunkt der Reinigung keine oder nur unbedeutende Ablagerungen auf, wohingegen andere Kanalabschnitte stark belastet sind. Hier bietet sich die Möglichkeit, durch die Einführung einer bedarfsorientierten Reinigungsstrategie Optimierungspotentiale zu nutzen und Kosten zu sparen, ohne durch die Verlängerung der Reinigungsintervalle Einschränkungen hinsichtlich der Betriebssicherheit zu riskieren.

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Elimination von Arzneimittelrückständen in kommunalen Kläranlagen

Im Rahmen des Vorhabens werden zwei Verfahren zur weitergehenden Elimination von Arzneimittelrückständen und organischen Spurenstoffen großtechnisch umgesetzt und im Praxisbetrieb erprobt: die Oxidation mittels Ozon und die Adsorption mittels Aktivkohle, jeweils als Integration in den konventionellen Prozess der kommunalen Abwasserbehandlung. Auf der kommunalen Kläranlagen (KA), der KA Schwerte des Ruhrverbands, der KA Bad Sassendorf des Lippeverbands und der KA Duisburg-Vierlinden der Wirtschaftsbetriebe Duisburg AöR, wird im Ablauf der konventionellen kommunalen Abwasserbehandlungsanlage eine Ablaufozonierung eingesetzt. Auf der KA Schwerte wird ergänzend eine Pulveraktivkohlezugabe in einem Rezirkulationsstrom - auch in Kombination mit der Ozonierung - erfolgen. Die drei Kläranlagen unterscheiden sich v. a. hinsichtlich der Abwasserzusammensetzung, des Ozoneintrags, der Steuerung und Messtechnik, der Nachbehandlung im Anschluss an die Ozonierung sowie des Einsatzes von Aktivkohle. Somit wird ein breiter Einsatzbereich abgedeckt, der repräsentative Ergebnisse erwarten lässt. Um zu einer Optimierung des Rezirkulationsstromes, des Nachklärbeckenbetriebs, der Ozonung und der PAK-Dosierung auf der KA Schwerte zu kommen und gleichzeitig Kosten für weitere Messkampagnen einzusparen wird anhand der erhobenen Messdaten vom LSU (RUB) ein mathematisches Modell kalibriert und validiert. Das Modell umfasst die Stufen Belebung, Nachklärung und nachgeschaltete Spurenstoffelimination. Anhand verschiedener Szenariorechnungen kann so der praktische Anlagenbetrieb der nachgeschalteten Stufe mit Ozonung und PAK-Dosierung verfeinert, dem Abtreiben von belebtem Schlamm aus der Nachklärung entgegengewirkt und im Besonderen der Rezirkulationsbetrieb optimiert werden.



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Kompetenzzentrum Hydraulische Strömungsmaschinen

Am 1. Dezember 2009 hat offiziell der Aufbau des Kompetenzzentrums „Hydraulische Strömungsmaschinen“ an der Ruhr-Universität Bochum begonnen. Getragen von der Fakultät Maschinenbau und dem Fraunhofer UMSICHT-Institut in Oberhausen und unter Einbindung von Kompetenzen der benachbarten Ingenieurfakultäten der Ruhr-Universität soll das neue Kompetenzzentrum in großer Breite – von den Werkstoffen über Strömungsprobleme in Pumpen und hydraulischen Anlagen bis hin zu den elektrischen Antrieben und modernen Vertriebskonzepten – und auf höchstem wissenschaftlichen Niveau die Thematik der Hydraulischen Strömungsmaschinen bearbeiten. Die Ruhr-Universität soll und wird sich in den nächsten Jahren zu einem international sichtbaren Zentrum der wissenschaftlichen Arbeit in diesem Bereich entwickeln. Die Voraussetzungen dafür sind geschaffen: Zehn Wissenschaftliche Mitarbeiter an neun verschiedenen Lehrstühlen nehmen die Arbeit an pumpenspezifischen Themen auf. Besetzt werden eine Professur für Hydraulische Strömungsmaschinen und eine Juniorprofessur für Werkstoffe der Hydraulischen Strömungsmaschinen, eine weitere Juniorprofessur und eine Fraunhofer Nachwuchsgruppe werden folgen. Trotz des hohen wissenschaftlichen Anspruchs fühlt sich das Kompetenzzentrum, ganz im Sinne der am Aufbau beteiligten Fraunhofer Gesellschaft, auch der Industrienähe verpflichtet. Durch den Aufbau des Kompetenzzentrums soll eine der industriellen Kernkompetenzen des Ruhrgebiets gestärkt werden. Etwa ein Drittel der benötigten Mittel steuert die Ruhr-Universität bei, zwei Drittel stammen aus dem Programm „Wachstum für Bochum“. Dazu kommen noch Mittel der Fraunhofer Gesellschaft, deren Höhe in etwa dem Beitrag der Ruhr-Universität entsprechen wird und die zum einen in den Aufbau einer Nachwuchsgruppe am UMSICHT-Institut und zum anderen in den Aufbau einer dauerhaften Fraunhofer Präsenz auf dem Campus der Ruhr-Universität fließen sollen. Durch die Schaffung des Kompetenzzentrums sollen die Studenten durch die hochaktuelle Forschung auch in der Lehre erheblich profitieren. Der Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik beteiligt sich am Verbund durch Beiträge zur Entwicklung zukünftiger Wasserver- und Entsorgungssysteme für Entwicklungsländer. Die Resultate sollen genutzt werden, um Entwicklungslinien im Bereich der Ver- und Entsorgungspumpen besser planen zu können. Ein Technikum zur Untersuchung von Strömungen in Abwassersystemen und Kläranlagen steht am Lehrstuhl zur Verfügung.



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Elimination organischer Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser unter Einsatz reaktivierter Pulveraktivkohle aus Trinkwasserwerken

Das Projekt wird in Kooperation mit dem Stadtentwässerungsbetrieb Düsseldorf durchgeführt und durch das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz (MKULNV) des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert. Innerhalb dieses Forschungsvorhabens wird das Eliminationsverhalten von reaktivierter Pulveraktivkohle (PAK),die bei der Einspeisung thermisch reaktivierter Wasserwerkskohlen im Wasserwerk Düsseldorf-Holthausen als Überschusskohle anfällt, gegenüber organischen Spurenstoffen untersucht.Die Versuche werden auf der halbtechnischen Versuchskläranlage des Klärwerks Düsseldorf-Süd durchgeführt. Die halbtechnische Anlage besteht aus zwei voneinander unabhängigen, baugleichen, parallelen Reinigungsstraßen, die mit Abwasser aus dem Ablauf der Vorklärbecken des Klärwerks Düsseldorf-Süd beschickt werden. Die pulverförmige Aktivkohle wird in eine der Anlagenstraßen dosiert, während die andereausschließlich als Referenzstraße dienen soll.In verschiedenen Versuchsreihen sollen unterschiedliche Aktivkohlemengen direkt in die biologische Stufe der Versuchskläranlage dosiert werden und dann anhand der Leitparameter Diclofenac(Schmerzmittel), Carbamazepin (Antiepileptikum) und Sulfamethoxazol (Antibiotikum) die Eliminationsleistung der PAKbewertet werden.Das Projekt soll dazu beitragen, die Erkenntnisse darüber zu erweitern, Spurenstoffe in einem kommunalen Klärwerk mit möglichst geringem investivem, baulichem und betrieblichem Aufwand zu entfernen. Ergänzend zu den Versuchen in der halbtechnischen Anlage soll in Laborversuchen die Entwässerbarkeit des Belebtschlamm/ Aktivkohlegemisches und der Einfluss der Aktivkohle auf die Eigenschaften des Belebtschlammes ermittelt werden. Zusätzlich soll in anaeroben Batchtests einmögliches Desorptionsverhalten der ausgewählten Spurenstoffe in der anaeroben Schlammstabilisierung bewertet werden.



Projektträger:Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV NRW)
Projektleitung: Stadtentwässerungsbetrieb Düsseldorf, Dr. BerndPehl
Projektleitung am LSU (RUB):Dr.-Ing. Manfred Lübken, Prof. Dr.-Ing. Marc Wichern
Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. Karen Clausen
Unterstützende Institutionen: Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), Stadtwerke Düsseldorf


Verbundprojekt: Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und –entsorgung, Teilprojekt: Koordination des Forschungsverbundprojektes und Erstellung des Leitfadens (BMBF)

Ziel des Verbundprojektes "Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und -entsorgung", an dem elf Institute verschiedener Universitäten und mehrere Firmen bzw. Gesellschaften unter der Leitung des Lehrstuhls für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik der Ruhr-Universität Bochum beteiligt sind, ist es, die Umwelt- und Lebensbedingungen in den Wachstums- und Entwicklungszonen der Welt zu verbessern. Auf Basis großtechnischer Praxiserfahrungen in ausgewählten Zielländern, die aus dem ersten Teil des Verbundprojektes bekannt sind, werden nun im zweiten Teil die in Deutschland entstandenen umfassenden Erfahrungen auf dem Gebiet der kommunalen Abwasserbehandlungstechnik zusammengeführt und unter Berücksichtigung des Bedarfs der Zielländer erweitert. Dazu wird in Deutschland erprobte Verfahrenstechnik mittels theoretischer Untersuchungen und Entwicklungen, Laborversuchen, Pilotversuchen, Simulationsmodellen sowie Versuchs- und Demonstrationsanlagen an die veränderten Randbedingungen in den Zielländern angepasst und optimiert.



Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. R. Lange
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. H. Orth


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Verbundprojekt: Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und –entsorgung, Teilprojekt: Einsatzbedingungen und Verfahrensketten zur Wiederverwendung von kommunalem Abwasser (BMBF)

Eine Abwasserwiederverwendung wird trotz der allgemein anerkannten Notwendigkeit nur relativ selten betrieben. Deutsche Erfahrungen bzw. die hiesigen Technologien bie-ten wegen ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit eine sehr gute Voraussetzung für eine Abwasserwiederverwendung. Das Projekt soll deshalb den Hindernissen für eine größere Verbreitung der Abwasserwiederverwendung entgegenwirken, die in ers-ter Linie in einer unzureichenden Kenntnis bezüglich der Eignung einzelner Verfahren zur Produktion von für eine Wiederverwendung geeignetem Abwasser und bezüglich der Voraussetzungen dieser Verfahren selbst zu suchen sind. Hierzu werden zunächst die Möglichkeiten zur Abwasserwiederverwendung und Ursachen für die bisher begrenzte Anwendung erfasst. Im nächsten Schritt werden die Leistungsfähigkeit und die Eingangsvoraussetzungen einzelner Verfahren analysiert und durch entsprechende Kennzahlen ausgedrückt. Hierauf aufbauend werden Verfahrensketten für verschiedene Arten der Wiederverwendung entwickelt. Zur Optimierung und zur Demonstration ihrer Leistungsfähigkeit werden für ausgewählte Verfahrensketten Versuche auf der lehr-stuhleigenen Laborkläranlage sowie Versuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Letztere sollen in Marokko durchgeführt werden, da hier mit ca. 25 °C bis ca. 30 °C Abwassertemperaturen vorliegen, die als exemplarisch für Wassermangelgebiete angesehen werden.



Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. F. Schmidtlein
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. H. Orth, Prof. Dr.-Ing. M. Wichern


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Betrieb und Optimierung von mikrobiellen Brennstoffzellen im Labormaßstab (Oswald-Schulze-Stiftung)

Kommunales Abwasser wird vornehmlich in Kläranlagen mit Hilfe des Belebtschlammverfahrens gereinigt. Für eine effektive Stickstoff- und Kohlenstoffelimination sind große Mengen Sauerstoff erforderlich, um die Nährstoffe zu eliminieren. Der Stromverbrauch, der für Belebungsanlagen mit 25 bis 45kWh/(EW*a) angegeben wird, macht etwa 15% der Betriebskosten auf Kläranlagen aus und ist einer der größten beeinflussbaren Kostenfaktoren. Das ist insofern bedauerlich, da es der Energiegehalt des Abwassers grundsätzlich ermöglichen würde, weitaus mehr Energie aus dem Abwasser zu gewinnen und letztendlich zuenergieproduzierenden Kläranlagen zu kommen. Durch mikrobielle Brennstoffzellen lässt sich die chemische Energie des Abwassers über eine elektrochemische Reaktion direkt in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Dabei wird durch das Zusammenspiel zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode), geeignetem Substrat und Mikroorganismen Energie erzeugt. Aus vorgeklärtem Abwasser können zwischen 2-4kWhel/kgCSBabb erzeugt werden. Die biologischen und chemischen Prozesse können nur unter Ausschluss von Sauerstoff in der Anodenkammer ablaufen. Im Vergleich zu den heute eingesetzten anaeroben Abwasserreinigungsverfahren, die aus Faultürmen und Blockheizkraftwerken bestehen, lässt sich der Energiegewinn durch eine mikrobielle Brennstoffzelle mehr als verdoppeln.
Das Brennstoffzellensystem besteht aus einem Anoden- und aus einem Kathodenreaktor. Die Anodenkammer wird als Feed-Batch-Reaktor betrieben. Der Reaktor wird diskontinuierlich mit Substrat (Abwasser) beschickt. Die Kathode wird kontinuierlich mit Luft versorgt, damit es zu der gewünschten chemischen Reaktion kommen kann. In dem Vorhaben sollen neben Abwasser noch weitere Substrate mit unterschiedlichen Kohlenstoffbelastungen untersucht und verglichen werden. Darüber hinaus sollen verschiedene Anodenformen und –materialien erprobt und bewertet werden. Mit dem Forschungsvorhaben soll die Technik der mikrobiellen Brennstoffzellen im Labormaßstab weiter erforscht und optimiert werden.



Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. T. Kletke
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern


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Zustands-, Prozess- und Wirkungsanalyse zur Entwicklung einer bedarfsorientierten Reinigungsstrategie für Kanalnetze (MUNLV)

Ziel des Vorhabens ist es, den Betreibern öffentlicher Kanalisationsnetze in Nordrhein-Westfalen praxisorientierte Empfehlungen zur Entwicklung, Umsetzung und Nachverfolgung angepasster Reinigungsstrategien für die Kanalisation zur Verfügung zu stellen hinsichtlich:

  • Auswahl und Einsatz zuverlässiger Methoden und Werkzeuge zur Umsetzung einer Reinigungsstrategie,

  • Identifizierung von Synergiepotenzialen mit anderen Betriebsprozessen,

  • Anpassung der Qualifikationsanforderungen für Mitarbeiter des Kanalbetriebs,

  • Entwicklung geeigneter Argumentationen zur Durchsetzung von angepassten Reinigungsstrategien für die Kanalisation in Politik und kaufmännischer Verwaltung,

  • Dokumentation des tatsächlichen Reinigungsbedarfs als Grundlage für die kontinuierliche Optimierung des Reinigungsprozesses.

Im Ergebnis werden die Netzbetreiber damit in die Lage versetzt, auch mit begrenzten Mitteln optimale Reinigungsergebnisse für spezifische Netzsituationen zu erzielen.



Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. R. Lange
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. H. Orth
Projektpartner: Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik an der Ruhr-Universität Bochum, Institut fur Unterirdische Infrastruktur (IKT, Gelsenkirchen)


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Verbundprojekt: Exportorientierte Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserver- und –entsorgung, Teilprojekt: Bemessungs- und Betriebsparameter des Belebungsverfahrens in Abhängigkeit von der Abwassertemperatur und stofflichen Eigenschaften (BMBF)

Die Erfahrungen mit dem Belebungsverfahren konzentrieren sich auf einen Temperaturbereich von etwa 5 °C bis 20 °C und in geringerem Umfang bis etwa 25 °C sowie auf stoffliche Eigenschaften, Abwasserkonzentrationen und -frachten, die den Verhältnissen in Industrieländern entsprechen. Um die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, das sich vor allem auf kommunalen Kläranlagen bewährt hat, auch für die Bedingungen anderer Länder zu verbessern bzw. sicherzustellen, werden niedrigere und erhöhte Temperaturen, hohe und niedrige Abwasserkonzentrationen bzw. -frachten und erhöhte Salzgehalte systematisch untersucht. In Laborversuchen, auf einer Laborkläranlage und auf einer Versuchskläranlage (ca. 1.000 EW) werden dazu die Abhängigkeiten von Parametern wie z.B. Stoffumsatzraten und Überschussschlammanfall ermittelt. Dabei kommen auch verschiedene Verfahrensvarianten zur weitergehenden Abwasserbehandlung zum Einsatz. Wichtige Betriebsparameter, wie z.B. Veränderungen der Schlammbeschaffenheit, werden mit einschlägigen Methoden untersucht. Die Ergebnisse werden in Bemessungs- und Betriebsempfehlungen zusammengefasst.



Projektbearbeitung am LSU (RUB): Dipl.-Ing. S. Grube
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. H. Orth