Universität Stuttgart
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Item Open Access Etablierung einer biologischen vaskularisierten Matrix als Grundlage für ein in-vitro-Lebertestsystem(2007) Schanz, Johanna Elisabeth; Brunner, Herwig (Prof. Dr. techn.)Die Leber spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel eines Organismus. Sie ist aus einer Vielzahl hochspezialisierter Zellen aufgebaut und übernimmt komplexe, für den gesamten Organismus lebensnotwendige Stoffwechselfunktionen. Eingenommene Medikamente und Substanzen gelangen im Menschen über das Blutkreislaufsystem zur Leber und werden dort von den Hepatozyten um- und abgebaut (Biotransformation). Hierbei entstehen sogenannte Metabolite, die oft eine ganz andere (mitunter toxische) Wirkung haben als das ursprüngliche Medikament. Aus diesem Grund sind Leberzellen (Hepatozyten) bzw. das gesamte Organ "Leber" von besonderem Interesse als Analysesystem für Substanzen, Wirkstoffe und ihre Metabolite. Es gibt für Metabolismusstudien verschiedene, relativ einfache in vitro Testsysteme jedoch noch kein humanes organähnliches Lebermodell, das Langzeitstudien an primären Hepatozyten ohne Funktionsverlust ermöglicht. Damit isolierte Hepatozyten in der Kultur ihre Funktionalität behalten, ist die Bereitstellung einer möglichst in vivo ähnlichen Mikroumgebung wichtig. Dazu gehören einerseits die Co-Kultur mit nicht-parenchymalen Leberzellen und andererseits die Gewährleistung der Zellversorgung sowie eine geeignete Trägerstruktur (Matrix), die eine 3-Dimensionalität der Kultur schafft. Zur Aufbau eines Co-Kultursystems wurden in dieser Arbeit Endothelzellen eingesetzt, da sie eine Filtrationsbarriere für Makromoleküle zwischen dem Blut und den Gewebszellen bilden und an der Regenerationsprozessen beteiligt sind. Als Trägerstruktur wurde eine azellularisierte, vaskularisierte Matrix aus Schweinedarm, das so genannte "Biological Vascularized Scaffold" (BioVaSc), verwendet. Sie basiert auf einem 10 - 15 cm langen Stück porcinen Jejunums, welches sich unter Erhalt der Gefäßsystemstrukturen inklusive des arteriellen Zuflusses sowie des venösen Abflusses chemisch azellularisieren lässt. Eine ausreichende Versorgung der Hepatozyten mit Nährstoffen und Sauerstoff sowie der Abtransport von Toxinen und Metaboliten nach Medikamenten-/Wirkstoff-Umsetzung ließen sich durch ein computergesteuertes Bioreaktorsystem gewährleisten. Zum Aufbau eines Lebermoduls wurde die BioVaSc in zwei Schritten mit Zellen besiedelt: Im ersten Schritt erfolgte die Rebesiedelung der Gefäßstrukturen mit primären mikrovaskulären Endothelzellen oder endothelialen Vorläufer über den arteriellen Zufluss. Im zweiten Besiedlungsschritt folgte die Besiedlung des Matrixlumens (ehemaliger Darm) mit primären Hepatozyten. Dazu wurden die Zellen in einer Kollagen-I-Suspension ins Matrixlumen pipettiert und selbiges an beiden Seiten mit Klemmen verschlossen. Das so entstandene Co-Kultursystem ließ sich über einen Zeitraum von 2-3 Wochen im Bioreaktor kultivieren. Eine Probenentnahme zur Überwachung der Zellfunktionen erfolgte wochentäglich. Nach Versuchsende fand eine Fixierung der BioVaSc für die Herstellung von Paraffinpräparaten statt. Anhand der Expression der endothelzellspezifischen Marker CD 31 und FLK-1 konnte im Rahmen dieser Arbeit die Differenzierung porciner Vorläuferzellen aus dem Knochenmark in Endothelzellen nachgewiesen werden. Humane Endothelzellen ließen sich unter Erhalt der genannten Marker in das Gefäßsystem integrieren und waren der Ursprung für neu entstandene Blutgefäße (Neoangiogenese). Die ins System integrierten Hepatozyten exprimierten ebenfalls zellspezifische Marker (CKLP 34, Hepatocyte), bildeten wichtige Zell-Zellkontakte wie Tight Junctions und Adherens Junctions aus und proliferierten. Durch die Anfärbung von Tight Junctions ließen sich zwischen den Zellen Gallenkanälchenstrukturen sichtbar machen. Eine Kommunikation zwischen Endothelzellen und Hepatozyten (cellular Cross-Talk) konnte über die Expression von Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) belegt werden. Anhand der Mediumproben ließ sich nachgeweisen, dass die Hepatozyten bis zum Ende der Kultur Harnstoff sowie Albumin synthetisierten und Laktat bildeten. Der Phase-I- und Phase-II-Metabolismus von Dextrometorphan war im porcinen Modell ohne Enzyminduktion nachweisbar. Die Etablierung des Lebermoduls erfolgte zunächst aufgrund der besseren Verfügbarkeit auf Basis porciner Zellen. Die Ergebnisse ließen sich jedoch anschließend auf das humane Modell übertragen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die BioVaSc als Grundlage für ein Lebertestsystem eignet. Das hier aufgebaute System hat als erstes Modell ein Gefäßsystem zur Co-Kultur von Endothelzellen und Hepatozyten unter physiologischen Bedingungen. Erstmals stellt ein Lebermodell damit die Möglichkeit in Aussicht den Transport von im Blut gelösten Molekülen durch die sinusoidale Endothelzellschicht zu den Hepatozyten bzw. von Metaboliten durch die sinusoidale Endothelzellschicht zum Blut zu untersuchen.Item Open Access New insights into structure and function of type I collagen(2008) Xiong, Xin; Brunner, Herwig (Prof. Dr. techn.)Collagen is one of the most abundant proteins in mammalians and strongly conserved throughout evolution. It constitutes one third of the human proteome and comprises three-quarters of the dry weight of human skin. It is widely accepted as a major structural component in animal body such as in bones, cartilage and skins. More and more studies have shown that, in addition to the structural function, collagens can induce or regulate many cellular functions and processes such as cell differentiation, cell motion, cell communication and apoptosis. Furthermore, its unique triple helix structure gained more attention since it is responsible for its high stability and biological function. Due to the high accessibility, Type I and Type III collagen are widely studied and frequently used as biocompatible materials in cell culture, tissue engineering and medical technology. Until now the understanding of the molecular mechanisms for collagen assembly is of great medical and also biotechnological importance. Here, large amounts of highly purified homogeneous Type I collagen have been obtained from rat tail tendon by a simple two-step purification involving extraction with 9 M urea followed by Superose 12 chromatography. This simple two step purification of Type I collagen is up-scalable. The yield is up to 95%. The product could be easily lyophilized and stored. AFM and SEM images showed a structure similar to natural collagen. This collagen was extensively characterized by different biochemical, physical and cell biological methods. Mass spectrometry identified only collagen Type I peptides indicating that the extracted collagen was homogeneous. The comparison between urea-extracted (UC) collagen and acetic acid-extracted collagen (AC) showed significant differences whereby the UC was not degraded or hydrolyzed as in acetic acid. Furthermore, tandem MS analyses showed some interesting post-translational modifications, which will result in new insights into collagen structure in vivo. The purified collagen was renatured quantitatively by dialysis against water to form triple-helices, as judged by UV-circular dichroism. The collagen dissolved in 8M urea exhibits a unique reversible aggregation behavior which is not affected by the presence of reducing agents. UV-circular dichroism analysis shows that collagen initiates triple helix formation at 4 M urea or below. This triple helix structure is comparable to that observed with synthetic collagen peptides. Cultures of a 3T3 mouse embryonic fibroblast cells incubated with urea-extracted collagen showed a higher motility than those grown with acetic acid-extracted collagen as judged by light microscopy and scanning electron microscopy. The real time PCR showed significant difference on transcriptional level and showed clearly up regulation of the genes involved in response to mechanical stress in AC but not in UC and reference culture in medium. All these results indicate a benefit of UC for biotechnological/biomedical applications. The urea-extracted collagen exhibits a unique reversible-aggregational phenomenon during gel filtration in 8 M urea. We could show that covalent bonds and cross-linkings are not involved. This observation and subsequently extensive mass spectrometric analyses led to a new model of triple-helical assembly and a hypothesis about the collagen export, which may offer some new insights into understanding of collagen structure and transport from cytosol to extracellular space. The results presented here have led to an industrial patent (patented on 04. 30th. 2008). A manuscript was submitted to FEBS J for publication.Item Open Access Optimierung von überdimensionierten Hohlleiterkomponenten(2001) Plaum, Burkhard; Zohm, Hartmut (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Optimierung von überdimensionierten Hohlleiterkrümmern. Ziel einer solchen Optimierung ist ein möglichst niedriger Anteil der durch die Krümmung angeregten Falschmoden. Der Algorithmus kann auch zur Optimierung von schlangenartig gekrümmten Modenwandlern benutzt werden, mit denen die Eingangsmode vollständig in die Ausgangsmode gewandelt wird. Die Optimierung erfolgt durch Minimierung einer Bewertungsfunktion, die ein gewichteter Mittelwert aus der maximalen Falschmodenleistung innerhalb des Krümmers, der Falschmodenleistung am Krümmerausgang und der Ohmschen Verluste ist. Die Argumente der Bewertungsfunktion sind die Koeffizienten einer Reihenentwicklung (Fourier oder Tschebyscheff) der Krümmungsfunktion. Für die Optimierung wurden ein genetischer Algorithmus und ein Hybridverfahren aus Downhill Simplex und Simulated Annealing Algorithmus implementiert. Als ein Beispiel für eine Optimierung wird ein 28 GHz TE01-Krümmer vorgestellt. Der genetische Algorithmus lieferte hier einen Krümmer, bei dem der Falschmodenanteil im Inneren maximal 11.9 % beträgt. Am Ausgang haben die Falschmoden einen Anteil von 0.016 % der Gesamtleistung Ein Vergleich mit Krümmern, die bei gleichen Abmessungen herkömmliche analytische Krümmungsfunktionen haben, zeigt, daß der optimierte Krümmer in jeder Hinsicht besser ist. Der Krümmer wurde gefertigt und der geringe Falschmodenanteil am Ausgang wurde durch Messungen bestätigt. In einem weiteren Beispiel wurde ein 70 GHz TE01-HE11-Wandler optimiert, wobei als Startwert ein gerader Hohlleiter diente. Hier wurde eine Krümmungsfunktion gefunden, die, bei geringem Anteil höherer Moden, die TE01-Welle fast vollständig in eine HE11-Welle wandelt. Beide Verfahren liefern in mehreren Optimierungen reproduzierbare Ergebnisse. Das Downhill Simplex/Simulated Annealing Verfahren ist jedoch wesentlich schneller, als der genetische Algorithmus.Item Open Access Detektion und Charakterisierung von Zellwandproteinen in Candida albicans(2008) Hiller, Ekkehard; Brunner, Herwig (Prof. Dr.)Candida albicans ist ein weit verbreiteter human pathogener Organismus, der sowohl oberflächliche wie auch systemische Infektionen verursacht. Diese treten vor allem bei Personen mit geschwächtem Immunsystem auf. Bei der Infektion spielen die Zellwand und ihre Bestandteile eine besonders wichtige Rolle. Dieses komplexe Netzwerk aus Glucan, Chitin, Mannan und Proteinen stellt die Naht¬stelle der Interaktion zwischen Wirt und Pathogen dar. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass mehrere der in dieses Netzwerk eingebundenen Proteine ausschlaggebend für die Adhäsion und die Interaktion mit dem Wirt und seinem Immunsystem sind. Hinweise auf Änderungen im Zell¬wand-Proteom während des Übergangs vom Wachstum als Blastosporen hin zu Hyphen wurden zuerst im Microarray Experimenten gefunden, und konnten später in Untersuchungen bestätigt werden, die sich auf die Zellwandproteine konzentrierten. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Proben¬vorbereitung verglichen, um die kovalent an die Zellwand gebundenen Proteine oder deren Peptide durch massen¬spektro¬metrische Methoden zu identifizieren. Trypsin, Endo¬proteinase Glu-C und Bromcyan zur Freisetzung von Proteinfragmenten wurden allein oder in Kombination verwendet und miteinander verglichen. Zusätzlich untersucht wurden die Auswirkungen einer Vor¬behandlung der Zell¬wand durch eine β-1,3-Glucanase. Die Identifikation der Peptide erfolgte mittels zweier verschiedener Massenspektrometer. Insgesamt konnten 33 Proteine in der Wachstumsform der Blastosporen identifiziert werden, sechs davon mit vorhergesagtem GPI-Anker. Im Gegensatz dazu wiesen 14 der 18 identifizierten Proteine aus Hyphen-Zellen diese spezifische Ankersequenz auf, 12 davon sind in dieser Wachstumsform transkriptionell induziert. Zwischen den verwendeten Methoden wurde eine hohe Varianz in der Zahl identifizierter Proteine, bzw. der Zahl zu einem Protein gehörender Peptide, gefunden. Zusätzlich wurden die von C. albicans in synthetische Flüssigmedien sekretierten Proteine identifiziert. Unter den sowohl von Blastosporen wie auch Hyphen sekretierten Proteinen befand sich Sun41p. In einer früheren Arbeit wurde gezeigt, dass die Transkription dieses Proteins in Hyphen induziert wird. Die SUN Gen Familie, zu der es gehört, wurde in S. cerevisiae definiert und beinhaltet eine für Pilze spezifische Familie von Proteinen die eine hohe Übereinstimmung in ihrer C-terminalen Domäne aufweisen. Gene dieser Familie sind in unterschiedliche zelluläre Prozesse wie DNS-Replikation, Alterung, mitochondriale Biogenese und Cytokinese involviert. In C. albicans gehören zwei Gene, SUN41 und SIM1, dieser Familie an. Da Sun41p als potentieller Virulenz¬faktor Ziel einer gegen Pilze gerichteten Therapie darstellen kann, wurde seine Funktion durch die Konstruktion einer SUN41 Deletionsmutante untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass C. albicans Mutanten ohne SUN41 ähnliche Defekte aufweisen wie sie auch bei entsprechenden S. cerevisiae Mutanten gefunden wurden. Dies beinhaltet unter anderem Defekte bei der Cyto¬kinese. Zusätzlich zeigten die SUN41 Mutanten eine gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber der die Zellwand schädigende Substanz Kongorot, wohingegen bei der Anwesenheit von Calcofluor Weiß keine Veränderung beobachtbar war. Im Vergleich mit dem Wildtyp wies der SUN41 Deletions-Stamm Defekte bei der Bildung von Biofilmen auf, zeigte eine reduzierte Adhäsion auf einem epithelialen Gewebemodell und konnte unter den getesteten Bedingungen auf Festmedien keine Hyphen bilden. Die Ergebnisse deuten auf eine Funktion von Sun41p als Glycosidase hin, die an der Zellwand-Biogenese beteiligt ist und dadurch die Cytokinese, die Adhäsion am Wirtsgewebe, die Bildung von Biofilmen und die Virulenz beeinflusst. Dies weist auf eine wichtige Rolle von Sun41p bei der Interaktion des Pathogen mit dem Wirt hin.Item Open Access Untersuchung der Abscheidung von Bornitrid auf metallischen Substraten(2004) Ulrich, Lars; Lunk, Achim (Prof. Dr.)Das kubische Bornitrid (c–BN) ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Gegenüber dem Diamant ist es aber chemisch stabiler und bildet keine Verbindungen mit eisen- und nickelhaltigen Legierungen. Diese Eigenschaften macht es geradezu ideal für den Einsatz als Verschleißschutzschicht von Werkzeugen für die Stahlbearbeitung. In der Industrie wird c–BN bereits zur Stahlbearbeitung eingesetzt. Die Werkzeuge bestehen aus mit Hilfe eines Binders gesinterten c–BN Kristalliten. Die c–BN Kristallite werden dafür in einem Hochdruck-Hochtemperatur-Prozess hergestellt. Bei diesen Werkzeugen hat c–BN seine Einsatzmöglichkeit in der Materialbearbeitung bereits bewiesen. Der Nachteil dieser Werkzeuge ist allerdings die aufwändige Nachbearbeitung des gesinterten Materials. Das wesentliche Problem bei der plasmagestützten Schichtabscheidung sind die hohen Eigenspannungen, die während des Wachstums in den Schichten entstehen. Für das Wachstum der kubischen Phase ist ein Beschuss der Schicht mit Ionen notwendig. Durch diesen Ionenbeschuss werden gleichzeitig intrinsische Spannungen in den Schichten erzeugt. Sie limitieren die Dicke und die Stabilität der abgeschiedenen Schichten. In den meisten Fällen platzten die Schichten schon bei einer Dicke von wenigen 100 nm ab. Eine Verbesserung der Schichtstabilität kann erreicht werden durch eine Reduzierung der Schichtspannungen und durch die Optimierung der Zwischenschicht zwischen der c–BN-Schicht und dem Substrat. Neben diesem grundsätzlichen Problem gibt es für eine industrielle Anwendung zusätzliche Anforderungen. Bisher wurden die meisten c–BN Beschichtungen auf Silizium und im Labormaßstab durchgeführt. Für eine industrielle Anwendung werden metallische Substrate und größere Anlagen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung von Bornitridschichten auf titannitridbeschichteten Stahlsubstraten untersucht und optimiert. Die Abscheidung der Schichten erfolgte in einem Hohlkathodenbogen-Verdampferverfahren unter Ionenbeschuss. Vor der Schichtabscheidung wurden die Plasmabedingungen in der Anlage systematisch untersucht. Daraus ergab sich eine Voraussage über die Größe des Volumens, in dem eine Abscheidung von c-BN möglich sein sollte. Diese Voraussage konnte experimentell nahezu bestätigt werden. Das Schichtwachstum wurde insitu mit polarisierter Infrarot-Reflexionsspektroskopie (PIRRS) untersucht. Bei der Verwendung der PIRRS in Verbindung mit metallischen, hoch reflektierenden Substraten ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit bei dünnen Schichten durch den Berreman-Effekt in p-Polarisation. Wie in der Arbeit gezeigt wird, kann diese Berreman-Absorption zur Überwachung des Wachstums der h-BN-Zwischenschicht eingesetzt werden. Die Messgröße für die Überwachung des Wachstums ist die Position des Minimums der Berreman-Absorption und ihre Verschiebung während der Beschichtung. Die Untersuchng der Zwischenschicht mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigt eine Korrelation zwischen der Berreman-Absorption und der Struktur des h-BN's. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Silizium- und metallischen Substraten sind die beim Abkühlen entstehenden thermischen Spannungen. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Werte der thermischen Spannungen auf metallischen Substraten vom Betrag her deutlich größer sind als bei Siliziumsubstraten. Zusätzlich ist das Vorzeichen entgegen gerichtet. Bei Silizium werden die bei der Beschichtung entstehenden kompressiven Spannungen durch die thermischen Spannungen beim Abkühlen vermindert, während sich auf metallischen Substraten beide Spannungen addieren. Im Experiment konnte dies bestätigt werden. Erst durch die Einführung einer ca. 250 nm dicken h-BN-Zwischenschicht konnten Schichten abgeschieden werden, die mehrere Monate stabil waren. An mehreren, zeitlich stabilen Schichten wurden ex situ Untersuchungen zur Charakterisierung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die Härte wurde mit einem Indenter-Verfahren gemessen. An einer Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 1,07 µm und einem c-BN Anteil von 820 nm ergab sich eine Mikrohärte von 37,4 GPa und ein E-Modul von 268 GPa. Mit dem Kalottenschliff wurde ein Vergleich zwischen einer Titannitrid- und einer c-BN-Schicht durchgeführt. Dabei wurde unter denselben Bedingungen eine Kugel in die jeweilige Schicht eingeschliffen. Bei Titannitrid ergab sich unter den gewählten Bedingungen eine Einschleiftiefe von 1,45 µm und bei c-BN eine Tiefe von 0,75 µm. D.h. in der c-BN-Schicht reduziert sich die Einschleiftiefe nahezu auf die Hälfte gegenüber Titannitrid. Das zeigt das Potential, welches in c-BN als Verschleißschutzschicht liegt.Item Open Access The role of MHD instabilities in the improved H-mode scenario(2009) Flaws, Asher; Stroth, Ulrich (Prof.)Recently a regime of tokamak operation has been discovered, dubbed the improved H-mode scenario, which simultaneously achieves increased energy confinement and stability with respect to standard H-mode discharges. It has been suggested that magnetohydrodynamic (MHD) instabilities play some role in establishing this regime. In this thesis MHD instabilities were identified, characterised, and catalogued into a database of improved H-mode discharges in order to statistically examine their behaviour. The onset conditions of MHD instabilities were compared to existing models based on previous H-mode studies. Slight differences were found, most notably a reduced $\beta_N$ onset threshold for the frequently interrupted regime for neoclassical tearing modes (NTM). This reduced threshold is due to the relatively low magnetic shear of the improved H-mode regime. This study also provided a first-time estimate for the seed island size of spontaneous onset NTMs, a phenomenon characteristic of the improved H-mode scenario. Energy confinement investigations found that, although the NTM impact on confinement follows the same model applicable to other operating regimes, the improved H-mode regime acts to mitigate the impact of NTMs by limiting the saturated island sizes for NTMs with toroidal mode number $n \geqslant 2$. Surprisingly, although a significant loss in energy confinement is observed during the sawtooth envelope, it has been found that discharges containing fishbones and low frequency sawteeth achieve higher energy confinement than those without. This suggests that fishbone and sawtooth reconnection may indeed play a role in establishing the high confinement regime. It was found that the time evolution of the central magnetic shear consistently locks in the presence of sawtooth and fishbone reconnection. Presumably this is due to the periodic redistribution of the central plasma current, an effect which is believed to help establish and maintain the characteristic current profile required for improved H-mode operation. A similar effect was proposed for the NTM instability whereby the magnetic island drives an additional toroidal current which flattens the central current density profile. However, it was found that the NTM impact on the toroidal current density could be accounted for purely in terms of the $3$ conventional current contributions, namely: ohmic, bootstrap, and auxiliary heating current drive, without requiring an additional current source.Item Open Access Strukturentstehung in Driftwellenturbulenz toroidaler Plasmen(2009) Manz, Peter; Stroth, Ulrich (Prof. Dr.)In Fusionsplasmen ist die Turbulenz und der damit inhergehende turbulente Transport für den größten Anteil der Teilchen- und Energieverluste verantwortlich. Durch die annähernd freie Bewegung der Ladungsträger parallel zum Magnetfeld kann die Turbulenz in magnetisierten Plasmen, rotierenden Flüssigkeiten im geophysikalischen Kontext entsprechend, als zweidimensional betrachtet werden. In zweidimensionaler Turbulenz bilden sich durch Wirbelvermischung größere Wirbelstrukturen aus. Es wird davon ausgegangen, dass die Wirbel untereinander wechselwirken und sich gegenseitig durchmischen und so schrittweise immer größere Wirbel bilden. Da dieser Prozess stufenweise abläuft wird dieser als Kaskade bezeichnet. Große Wirbelsysteme können für die Fusionsforschung von entscheidender Bedeutung sein, da sie nicht gleichmäßige radiale elektrische Felder aufbauen können, die eine Schlüsselgröße von internen Transport-Barrieren sind. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Wirbeln verschiedener Skalen wird im Detail untersucht. Die Untersuchung erlaubt Rückschlüsse auf den Entstehungsmechanismus von großskaligen Wirbelstrukturen in magnetisierten Plasmen.Item Open Access Entwicklung eines semidezentralen Verfahrens für kommunales Abwassermanagement und Erprobung in der großtechnischen Anwendung(2009) Zech, Tosca; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Das entwickelte semidezentrale Verfahren für kommunales Abwassermanagement wurde konzipiert, um die ökologischen Vorteile dezentraler Systeme mit den ökonomischen und technischen Vorteilen zentraler Systeme zu verbinden. Ein Schwerpunkt lag in der Auslegung, Planung, Bauüberwachung und Inbetriebnahme der semidezentralen Membrankläranlage Heidelberg-Neurott (MKA01) zur Demonstration des Verfahrens in einer entlegenen Bauernsiedlung. Die wissenschaftliche Untersuchung der hydraulischen und stofflichen Vorgänge auf der MKA01 zeigte, dass die Konzentration für CSB und Phosphor den erwarteten Werten entspricht, während die Konzentration für Gesamtstickstoff ca. 30 % darüber liegt. Die biologische Abwasserreinigung produziert ganzjährig sehr gute Ablaufwerte mit sehr hohen Eliminationsraten und erfüllt die Anforderungen der Größenklasse 5. Die Leistung der Rotationsscheibenfilter der MKA01 wurde über mehr als zwei Jahre analysiert. Hierbei konnten sehr hohe Ausbeuten bei sehr langen Standzeiten zwischen den chemischen Reinigungen beobachtet werden. Das Ziel, die technische Machbarkeit von semidezentralen Abwasserreinigungsanlagen zu demonstrieren, ist gelungen. Sehr gut erreichbar sind exzellente Ablaufwerte, niedriger Betreuungsaufwand und gute Überwachung der Abwasserqualität sowie eine bedingte Kosteneffizienz. Es sind damit die technischen Voraussetzungen für eine nachhaltige Abwasserinfrastruktur als Alternative zum herkömmlichen Wassersystem geschaffen worden.Item Open Access Herstellung und Charakterisierung von Polymernanopartikeln mit Aktivester-Oberfläche(2004) Herold, Marc; Brunner, Herwig (Prof. Dr. techn.)In der vorliegenden Arbeit wurde ein Syntheseweg für neue, modular aufgebaute Surfmere zur Nanopartikel-Herstellung entwickelt. omega-Aminosäuren wie 11-Aminoundecan-säure und 6-Aminohexansäure wurden erfolgreich zur zweistufigen Synthese von p-(11-Acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AUPDS), p-(11-(Meth-acrylamido)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MUPDS), p-(6-(Acryl-amido)hexanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (AHPDS) und p-(6-(Malein-imidio)undecanoyloxy)phenyldimethylsulfoniummethylsulfat (MIHPDS) eingesetzt. Die Surfmere AUPDS und MUPDS besitzen grenzflächenaktive Eigenschaften und senken die Oberflächenspannung der Luft/Wasser-Grenzfläche auf 40,5 mN m-1 (AUPDS) und 58,5 mN m-1 (MUPDS). Die kritische Mizellbildungskonzentration für MUPDS ist mit 3,2 mmol/L niedriger ist als die für AUPDS mit 6,0 mmol/L. AUPDS und MUPDS beanspruchen mit 1,42 nm² und 1,69 nm² mehr Fläche als das bereits bekannte Surfmer p-(11-Undecenoyloxy-phenyl)dimethylsulfoniummethylsulfat (UPDS) mit 1,05 nm². Die chemische Reaktivität von AUPDS und MUPDS wurde anhand von Umsetzungen der Surfmere mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid und dem Protein Streptavidin untersucht. AUPDS und MUPDS können als polymerisierbare Tenside bei der Emulsionspolymerisation von Methylmethacrylat (MMA) oder Styren (St) eingesetzt werden. Mit beiden Comonomeren wurden unter Verwendung von 2,2’-Azobis-(2-Methylpropion-amidin)dihydrochlorid (AIBA) als Initiator Polymer-Nanopartikel hergestellt. Die Copolymerisation von AUPDS und MMA zu p(MMA-co-AUPDS) wurde durch die 1H-NMR Analyse der Emulsionspolymerisationsprodukte nachgewiesen. Ausserdem wurde anhand von Elementaranalyse und durch Polyelektrolyttitration zwischen dem copolymerisierten AUPDS im Partikelinnern und auf der Partikeloberfläche differenziert. Die Berechnung der Oberflächenladungsdichte auf den Partikeln aus den Daten der Polyelektrolyttitration ergibt eine Fläche von 1,24 nm² bis 0,70 nm² pro Aktivester-Gruppe. Die Abhängigkeit der Partikelanzahl von der Surfmerkonzentration folgte für den Konzentrationsbereich unterhalb der CMCAUPDS der von SMITH und EWART beschriebenen Gesetzmäßigkeit. Die Kinetik der Copolymerisation von AUPDS und MMA folgt weitgehend dem Drei-Phasen-Modell nach HARKINS. Durch die größere Surfmer-Konzentration wurde die maximale Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeit in der zweiten Phase erhöht und die Partikelanzahl vergrößert. Auch wenn MUPDS in gleicher Konzentration statt AUPDS zur Emulsionspolymerisation eingesetzt wurde, blieben die Parameter der Polymerisations-Kinetik weitgehend unverändert. Der Einfluss der Surfmerkonzentration auf den Partikeldurchmesser und die daraus berechnete Partikelanzahl wurde für die Comonomersysteme p(MMA-co-AUPDS) und p(St-co-AUPDS) untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Partikelgröße der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel mit steigender Surfmerkonzentration abnimmt. Diese Abnahme war oberhalb der CMC von AUPDS weniger stark als unterhalb. Dieses Verhalten wurde auf eine zunehmende mizellare Nukleation oberhalb der Mizellbildungskonzentration zurück-geführt. Wurde Styren als Comonomer eingesetzt, entstehen im gleichen Konzentrationsbereich Partikel mit mittleren hydrodynamischen Durchmessern von 58 nm bis 127 nm. Die Aktivester-Funktionen der p(MMA-co-AUPDS)-Partikel wurden mit Ethanolamin, n-Butylhydrazid, Flouresceinamin und Streptavidin umgesetzt. Vom copolymerisierten Surfmer konnten 2,1 mol-% bis 13,3 mol % mit 6-Fluoresceinamin umgesetzt werden. Diese Menge an Surfmer entspricht einem Gehalt von bis zu 9,6 µmol reaktiven Aktivester-Gruppen pro 1 g Polymer. Die Umsetzung der partikelgebundenen Aktivester-Funktionen mit Streptavidin wurde durch MALDI-TOF-MS Messungen belegt und durch Titration der Partikel mit Biotin-4-Fluorescein quantifiziert. Auf 1 g p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden bis zu 28 mg Streptavidin immobilisiert. Ausserdem wurde mit dem durch dynamische Lichtstreuung gemessenen Durchmesser die Gesamtoberfläche der p(St-co-AUPDS)-Partikel berechnet. Damit wurde abgeschätzt, dass ein Streptavidin Tetramer einen Bereich von (160 ± 20) nm² belegt. Die Langzeitstabilität der Latices bezüglich der Hydrolyse der Aktivester-Gruppen wurde kalorimetrisch untersucht. Die p(St-co-AUPDS)-Partikel wurden dazu mit dem durch eine aromatische Amin-Funktion nukleophilen Farbstoff Remazolblau titriert. Die Endpunktsbestimmung erfolgte mit isothermaler Titrations-Mikrokalorimetrie. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl bei einer Aufbewahrungstemperatur des Latex von 25 °C als auch bei 6 °C eine Hydrolyse der Aktivester-Funktionen der p(St-co-AUPDS)-Partikel stattfindet. Die Halbwertszeit der Hydrolyse konnte von 9 Tagen auf 65 Tage verlängert werden, wenn die Partkel statt bei 25 °C bei 6 °C aufbewahrt wurden.Item Open Access Laser-Streu-Diagnostik im Vergleich mit Emissionsspektroskopie an einem Freistrahlplasma(2001) Schinköth, Detlef; Schumacher, Uwe (Prof. Dr.)In der bemannten Weltraumfahrt kommt der Entwicklung von Hitzeschutzmaterialien und Hitzeschutzschichten eine besondere Bedeutung zu. Sie schützen das mit hoher Geschwindigkeit in eine dichte Atmosphäre eindringende Raumfahrzeug vor dem sich dabei ausbildenden Plasma. Die Qualität solcher Materialien und Schutzschichten wird durch ihr Erosionsverhalten beurteilt. Die zeitliche Erosion wird durch die Messung der Strahlungsintensität von Spektrallinien der Erosionsprodukte bestimmt. Um diese Messungen zu interpretieren und die Qualität der entwickelten Materialien und Schutzschichten zu beurteilen, ist die genaue Kenntnis der fundamentalen Plasmaparameter Elektronendichte und Elektronentemperatur notwendig. In dieser Arbeit werden Elektronendichte und Elektronentemperatur an einem Freistrahlplasma durch das Verfahren der Laser-Thomson-Streuung bestimmt. In bisherigen Arbeiten wurde die Thomson-Streuung an solchen Plasmen in einem Druckbereich von 1000 hPa bis hinunter zu 100 hPa eingesetzt. Erstmals werden hiermit Elektronendichten und Elektronentemperaturen an einem Freistrahlplasma bei einem Druck von 10 hPa, wie er bei einem Wiedereintritt in 80 km Höhe auftritt, bestimmt. Die Plasmaparameter werden vom Ort der Plasmaquelle bis zur Probenposition in etwa 60 cm Entfernung von der Quelle an verschiedenen axialen Position radial aufgelöst gemessen. Am Ort der Plasmaquelle, wo eine Elektronendichte vorliegt, die die Anwendung von emissionsspektroskopischen Verfahren erlaubt, werden die Plasmaparameter zusätzlich durch Messung der Stark-Effekt-Verbreiterung und Messung von Linienemissionskoeffizienten von Atom- und Ionenlinien ermittelt und mit den Ergebnissen der Thomson-Streuung verglichen. Ferner wird der Einfluß von geometrischen Fluktuationen des Plasmafreistrahles auf die Ergebnisse anhand von Messungen einer Zeilen-CCD-Kamera und der Thomson-Streuung mit einem Laser-Puls diskutiert.