Universität Stuttgart
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Item Open Access Vernetzung, Permeabilität, Wasser- und Hitzebeständigkeit Polyvinylalkohol-basierter Beschichtungen(2023) Michele, Andre; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)Polyvinylalkohol (PVA) ist ein hydrophiles Polymer mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung von PVA als Beschichtungsmaterial. Die Beständigkeit von PVA-Schichten in Wasser ist jedoch gering, da das Polymer unter Ausdehnung des Volumens quillt oder sich vollständig auflöst. Um die Wasserbeständigkeit zu erhöhen, wird PVA deshalb üblicherweise vernetzt. Hierfür sind zahlreiche Methoden bekannt. In der Regel besitzen diese jedoch entscheidende Nachteile. Daher besteht erheblicher Forschungsbedarf, um neue Vernetzungsmethoden für PVA-Schichten zu entwickeln und bestehende Methoden zu optimieren. In dieser Arbeit wurden zwei neue Vernetzungsmethoden für PVA entwickelt. Die erste basiert auf einer Weiterentwicklung der thermischen Vernetzung von PVA, in Anwesenheit starker Säuren. Mit dem Ziel Nebenreaktionen zu minimieren, wurde hierfür p-Toluolsulfonsäure (TSA) als neuer Vernetzer untersucht. Die zweite Methode basiert auf der UV-Licht-initiierten C,H-Insertion. Hierfür wurden zwei neue Polymere, mittels polymeranaloger Umsetzung von PVA mit 4-Fluorbenzophenon und PVA mit 4-Fluorbenzphenon und 1,3-Propansulfon, synthetisiert. Die auf diese Weise erhaltenen Benzophenon-Modifizierten PVA (PVA-BP) und sulfonierten PVA-BP (sPVA-BP), wurden bezüglich ihrer UV-Licht-initiierten Vernetzung untersucht. Für die Entwicklung der thermischen Vernetzung von PVA in Anwesenheit von TSA wurde ein statistischer Versuchsplan mit den experimentellen Parametern Temperatur (ϑ), Vernetzungsdauer (tc) und Massenkonzentration an TSA (wTSA) angewandt. Mit den Ergebnissen konnten statistische Modelle des Vernetzungsprozesses erstellt werden. Bei allen angewandten Parametern wurde die Ausbildung eines unlöslichen Materials und eine Schwarzfärbung beobachtet. Diese Beobachtungen konnten, durch die parallel ablaufende Vernetzung des PVA und Zersetzung durch Dehydratation und Oxidation, erklärt werden. Die Auswertung der aufgestellten Modelle ermöglichte die Identifizierung optimaler Vernetzungsparameter bei minimaler Zersetzung des Polymers. Die Entwicklung von Synthesevorschriften für PVA-BP und sPVA-BP war erfolgreich. Durch die Bestrahlung von PVA-BP- und sPVA-BP-Schichten mit UV-Licht wurden diese vernetzt und kovalent an das Substrat angebunden. Zur Untersuchung der Vernetzungsreaktion wurde ein Modell basierend auf der Perkolationstheorie angewandt. Eine Korrelation zwischen dem Benzophenon-Modifikationsgrad und der Vernetzungsgeschwindigkeit konnte hierdurch festgestellt werden. Dieser Effekt wurde über die größere Anzahl an potenziell reaktiven Gruppen für die C,H-Insertion erklärt. Der Gleichgewichtsquellgrad (EDS) verringerte sich mit fortschreitender Bestrahlungsdauer. Dies konnte mit der Verringerung der Maschenweite des Netzwerkes erklärt werden. Zudem sank der EDS mit steigendem Benzophenon-Modifikationsgrad und sinkendem Sulfonsäure-Modifikationsgrad. Als Erklärung hierfür werden die verringerte Hydrophilie und der geringere osmotischen Druck im Netzwerk, durch die geringere Anzahl an geladenen Sulfonsäure-Gruppen, angeführt. Anwendung fanden die in dieser Arbeit vorgestellten Vernetzungsmethoden bei der Herstellung von wasser- und hitzebeständigen Komposit-Membranen mit semipermeablen PVA-Schichten. Die Membranen waren dicht gegenüber Stickstoff, jedoch gut permeabel für Wasserdampf. Folglich konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Vernetzungsmethoden generell für die Herstellung von Membranen für die Befeuchtung von Luft - auch Befeuchtermembranen (BM) genannt - geeignet sind.Item Open Access Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Propylenoxid und Phenol mittels Ganzzellbiokatalyse unter Nutzung der Methan-Monooxygenase des Organismus Methylosinus trichosporium OB3b(2022) Derwenskus, Ilka Madeleine; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Item Open Access The use of confocal Raman microscopy for the evaluation of in-vitro biofilm model structures(2022) Kriem, Lukas Simon; Rupp, Steffen (apl. Prof. Dr.)In nature, the majority of microorganisms grow and accumulate on surfaces. These microorganisms are in general surrounded by an extracellular matrix, also generating a biofilm. Extensive research has been done to further understand these biofilms, especially those that cause human diseases such as subgingival biofilms where their accumulation on teeth over time can cause gingivitis and periodontitis. While dynamics, formation and composition of these biofilms are well known, techniques for continuously monitoring the formation of subgingival biofilm are limited. In recent years, advancements in the field of optical spectroscopic techniques have provided an alternative for analyzing three-dimensional microbiological structures, in addition to the traditional destructive or biofilm staining techniques. In this work, it was demonstrated that the use of confocal Raman spectroscopy, coupled with multivariate analysis, provides an approach to differentiate common subgingival bacteria. In addition, a workflow was developed that allows for the spatial differentiation of bacteria in an in vitro model simulating a subgingival biofilm, a technique which was also confirmed by mapping a second mixed species in vitro biofilm found on medical devices. The present work demonstrates the use of confocal Raman Microscopy to differentiate common subgingival bacterial species (Actinomyces naeslundii, Fusobacterium nucleatum, Streptococcus mutans, Veillonella dispar and Prevotella nigrescens) and including their identification in unknown samples. In a second step, a workflow was established to evaluate and differentiate bacterial species in two dual-species in vitro biofilm models, using confocal Raman microscopy. The first biofilm model comprised of Actinomyces denticolens and Streptococcus oralis was cultured using the ‘Zürich in vitro model’. Candida albicans and Pseudomonas aeruginosa were cultured as a second dual-species biofilm to confirm the established workflow. Both biofilms were then analyzed using confocal Raman Microscopy. Cluster analysis was used to spatially differentiate and map the biofilm models over a specified area. To confirm species clustering within the cultured biofilms, confocal laser scanning microscopy was coupled with fluorescent in-vitro hybridization. Furthermore, dense bacteria interface area samples, as an artificial model of clusters in a biofilm, were used to test the developed multivariate differentiation model. This confirmed model was successfully used to differentiate species in a dual-species biofilm that were additionally compared and confirmed by morphology analysis. The results show that the developed workflow was able to identify main clusters of bacteria based on spectral ‘fingerprint region’ information acquired from confocal Raman microscopy. Using this workflow, it was demonstrated that confocal Raman microscopy can be used to spatially analyze dual-species in vitro biofilms, thus providing an alternative technique to map biofilm models.Item Open Access Physikalische und chemische Wechselwirkungen in Gelatine-Methacryloyl-Lösungen und deren Vernetzung zu Hydrogelen als Trägerstruktur für Gelenkknorpel-Äquivalente(2021) Rebers, Lisa; Tovar, Günter (Prof. Dr.)Item Open Access Entwicklung eines Schnelltests zur on-site Detektion von toxischen Substanzen in Wasser unter Nutzung von fluoreszierenden Bakterien(2024) Maucher, Tanja; Rupp, Steffen (Prof. Dr.)Item Open Access Entwicklung und Bewertung eines Verfahrens zur Herstellung von Fucoxanthin und Eicosapentaensäure mit Phaeodactylum tricornutum(2020) Derwenskus, Felix; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Eicosapentaensäure (EPA), eine essentielle mehrfach ungesättigte Omega-3 Fettsäure, sowie Fucoxanthin, ein sauerstoffhaltiges Carotinoid, besitzen eine Vielzahl gesundheitsfördernder Eigenschaften. Daher finden sie als funktionelle Inhaltsstoffe in vielen Nahrungsmitteln und Kosmetikprodukten Verwendung. Eine vielversprechende Alternative zu den bisher industriell eingesetzten Verfahren zur Gewinnung dieser Wertstoffe aus verschiedenen Organismen - Seefische für EPA und mehrzellige Algen für Fucoxanthin - bietet die simultane Herstellung beider Wertstoffe mit einzelligen Diatomeen. Diese sind durch Photosynthese in der Lage sowohl EPA als auch Fucoxanthin in erheblichen Mengen ausgehend von Licht und Kohlenstoffdioxid zu synthetisieren. Die Herstellung beider Stoffe in industriell genutzten Photobioreaktoren scheitert derzeit jedoch an fehlenden wissenschaftlichen Daten zu geeigneten Produktionsstämmen sowie zur Abhängigkeit des biomassespezifischen Wertstoffgehaltes der Stämme von den zugrundeliegenden Kultivierungsbedingungen. Darüber hinaus mangelt es an skalierbaren Verfahren zur anschließenden Extraktion sowie Separation beider Stoffe aus der entsprechenden Algenbiomasse. Etablierte Verfahren, z.B. zur Extraktion von Lipiden aus Grünalgen, sind wegen der spezies-spezifischen Unterschiede in den vorliegenden Lipidklassen nicht ohne grundlegende Anpassungen auf Diatomeen übertragbar. Derzeit existieren daher weder integrierte Verfahren zur Herstellung von EPA und Fucoxanthin mit Diatomeen, noch existieren ökonomische Daten, welche die Bewertung eines solchen Herstellungsverfahrens ermöglichen würden. Folglich konnten bisher noch keine Herstellkosten ermittelt werden, so dass auch die wesentlichen Kostentreiber für einen zukünftigen Produktionsprozess nicht bekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die genannten Wissenslücken zu schließen und ein integriertes Verfahren zur simultanen Herstellung beider Produkte mit Diatomeen in einem Photobioreaktor zu entwickeln sowie zu bewerten. Hierfür wurde zunächst das Wachstumsverhalten und der biomassespezifische Wertstoffgehalt potentieller Produktionsstämme unter definierten Kultivierungsbedingungen in einem Membranphotobioreaktor analysiert sowie die Kultivierbarkeit der ausgewählten Stämme in einem skalierbaren Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor (FPA-PBR) untersucht. Unter zuvor optimierten Kultivierungsbedingungen konnte in einem Repeated-Fed-Batch-Prozess im FPA-PBR für den ausgewählten Stamm Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 erstmals gezeigt werden, dass sich bereits auf zellulärer Ebene beschriebene Adaptionsmechanismen von Diatomeen anunterschiedliche Lichtverhältnisse eignen, um den biomassespezifischen Fucoxanthingehalt gezielt auf bis zu 20,5 mg g-1 zu steigern. Der EPA-Gehalt blieb hingegen nahezu konstant, so dass beide Wertstoffe ohne Einschränkungen simultan erzeugt werden können. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass im FPA-PBR in Abhängigkeit von der Lichtverfügbarkeit eine volumetrische Fucoxanthinproduktivität von bis zu 22,4 ± 7,6 mg L-1 d-1 erreicht werden kann. Dies stellt die bisher höchste in einem Photobioreaktor erreichte volumetrische Fucoxanthinproduktivität für Mikroalgen dar. Die Gewinnung der beiden Wertstoffe aus der erzeugten P. tricornutum-Biomasse erfolgte mittels Hochdruckflüssigextraktion. Dabei wurden organische Lösungsmittel unter Berücksichtigung legislativer Vorgaben ausgewählt und hinsichtlich der Extraktionsausbeute und der Produktselektivität verglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Polarität der Lösungsmittel gelang es, beide Produkte in einem einzigen Extraktionsschritt nahezu vollständig als Lipidfraktion zu gewinnen. Dabei konnten die Extraktionstemperatur und die Verweilzeit aufgrund der thermischen Instabilität des Fucoxanthins als kritische Prozessparameter identifiziert werden. Ausgehend von der extrahierten Lipidfraktion wurde ein neuartiges synergetisches Separationsverfahren entwickelt, welches eine einfache Trennung des Fucoxanthins von den enthaltenen Fettsäuren mittels Fällung und Filtration ermöglicht. Das Fucoxanthin konnte dadurch auf bis zu 97 %w/w aufgereinigt werden. Durch eine Skalierung des Extraktions- und Fällungsverfahrens als „Proof-of-Concept“ vom Milliliter- in den Liter-Maßstab war es nachfolgend möglich, ausreichend Probenmaterial für Untersuchungen der funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Lipidextrakte und des aufgereinigten Fucoxanthins herzustellen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse und Daten bilden eine erste Grundlage für die zukünftige Zulassung beider Wertstoffe aus Diatomeen als „Novel Food“. Auf Basis der neuen und optimierten Teilverfahren gelang es, ein vollständiges Herstellungsverfahren für Fucoxanthin und EPA mit Diatomeen zu entwickeln. Folglich konnten erstmals ökonomische Aspekte anhand definierter Produktionsszenarien im Pilot- und Industriemaßstab untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere der Energieeintrag für die artifizielle Beleuchtung mit 43 bis 50 % der operativen Kosten einen wesentlichen Kostentreiber im Gesamtprozess darstellt. Demzufolge wirken sich die Stromkosten und damit auch der Standort der Anlage entscheidend auf die Produktionskosten aus. Es zeigte sich des Weiteren, dass eine Kostenreduktion durch eine Vergrößerung der Produktionsanlage aufgrund der modularen Bauweise der FPA-PBR nur begrenzt möglich ist und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses in viel höherem Maße vom Fucoxanthin als vom EPA bestimmt wird.Item Open Access Untersuchung zur Gewinnung von Lignin mittels autokatalytischem Ethanol/Wasser-Aufschluss und dessen hydrothermale Spaltung zu Phenolen(2021) Unkelbach, Gerd; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Lignocellulosen, insbesondere heimische Laubhölzer wie Buche oder Pappel, bieten großes Potenzial als nachhaltige Rohstoffquelle für eine chemisch-stoffliche Verwertung. Insbesondere das enthaltene Lignin ist durch sein aromatisches Grundgerüst dafür prädestiniert. Um dieses zugänglich zu machen, muss das verholzte Pflanzenmaterial aufgeschlossen und fraktioniert werden, bevor eine selektive Depolymerisation zu kleineren Phenolbausteinen (Monomere und Oligomere) erfolgen kann. Die Erzielung hoher Gesamtausbeuten an Produkten ist für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Lignocellulose-Bioraffinerie essenziell. Daher wurde in dieser Arbeit ein autokatalytischer Ethanol/Wasser-Aufschluss (ein Organosolv-Verfahren) zur Reaktivextraktion des Lignins ausgewählt. Durch systematische Optimierung mittels statistischer Methoden, unterlegt mit umfangreichen Analysen (HPLC, GPC, IR- und NMR-Spektroskopie), konnten die Einflüsse der Aufschlussbedingungen auf alle drei Fraktionen (Faserstoff, Hemicellulosen und Lignin) für beide Holzarten aufgeklärt und nach Skalierung in den kg-Maßstab robuste empirische Modelle zur Abschätzung der Ausbeuten und Qualitäten abgeleitet werden. Da die meisten Aufschlussverfahren hinsichtlich hoher Zellstoffausbeuten ausgelegt werden, stellen die Erweiterung der Aufschlusstemperatur bis 220 °C, eine Ligninfällung durch gleichzeitige Rückgewinnung des Ethanols und eine semi-kontinuierliche Fahrweise zur Reduktion des Aufschlussmittelbedarfes signifikante Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik dar. Eine Kombination aus schlagartiger Druckentspannung und ethanolischer Extraktion, für dessen Testung eine separate Versuchsanlage konstruiert wurde, brachte nur eine minimale Steigerung der Ligninausbeute. Es wird jedoch eine deutlich bessere enzymatische Hydrolysierbarkeit bei der Nutzung der Faserfraktion als Fermentationsrohstoff erwartet. Bei annähernd identischen Bedingungen (T = 220 °C, τ ~ 200 min und wEthanol ~ 65 %) wurden bei beiden Hölzern die höchsten Ligninausbeuten erzielt (88 % aus Buchen- und bis zu 90 % aus Pappelholz, 74 % und 53 % nach Skalierung). Die chemischen Eigenschaften der Lignine zeigten deutliche Unterschiede, die sich auf das Produktspektrum einer nachfolgenden Depolymerisation auswirkten. Eine selektive hydrolytische Spaltung der im Lignin enthaltenen Etherbindungen lässt hohe Produktausbeuten erwarten. Daher wurde eine Hydrothermolyse unter basischen Bedingungen als Prozessvariante untersucht. Für die zwei Lignintypen mittels statistischer Versuchsplanung und ausführlicher analytischer Methoden (GC-MS/FID, GPC, HPLC, IR- und NMR-Spektroskopie) individuell optimierte Bedingungen zeigten, dass Gesamtausbeuten von ca. 80 % an phenolischen Produkten bei T ~ 325 °C und τ = 150 - 450 s erreichbar sind. Bei der Umsetzung ist auf eine ausreichende Menge an Base zu achten, da diese speziell die Oligomere vor Zersetzung zu niedermolekularen Oxigenaten schützt. Hier konnte gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Reduktion der Menge erreicht werden. Untersuchungen an Referenzmolekülen unterlegen die Beobachtungen zu Folgereaktionen an den Methoxygruppen, die es ermöglichen das Produktspektrum durch gezielte Auswahl der Prozessbedingungen zu kontrollieren. Die sich anschließende Produktaufarbeitung konnte hinsichtlich Extraktionseffizienz für die niedermolekularen Phenole durch Einsatz von Isobutylmethylketon anstelle normalerweise für diese Trennaufgabe eingesetzter Lösungsmittel verbessert werden. Gleichzeitig ergibt sich eine niedrigere Abwasserbelastung. Als Option zur weiteren Fraktionierung der Phenole hinsichtlich ihrer Funktionalitäten, was eine zielgerichtetere Anwendung der Spaltprodukte erlaubt, konnte die grundlegende Machbarkeit einer Extraktion mit überkritischem CO2 gezeigt werden. Auf Grundlage der empirischen Modelle und der erreichten Prozessverbesserungen wird ein Vorschlag für die technische Umsetzung eines Gesamtverfahrens gegeben, welches durch Zusammenspiel aus saurem Aufschluss und basischer Spaltung eine maximale Ausbeute von Phenolen aus heimischen Laubhölzern bei gleichzeitiger Koppelproduktion von (Poly)sacchariden ermöglicht.Item Open Access Entwicklung und Charakterisierung einer partikulären biobasierten Wirkstoffformulierung zur kontrollierten Freisetzung an der Regio olfactoria(2022) Spindler, Lena Marie; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung biobasierter partikulärer Wirkstoffformulierungen für die Verabreichung von Wirkstoffen in der Riechrinne, lat. Regio olfactoria. Die Regio olfactoria ist über den Riechnerv und den Trigeminusnerv direkt mit dem Gehirn und dem zentralen Nervensystem verbunden. Die intranasale Wirkstoffapplikation ist eine innovative Route insbesondere für Makromoleküle und Proteine, die durch Transport entlang dieser Nerven die Umgehung der Blut-Hirn-Schranke ermöglicht. Dieser sogenannte Nose-to-Brain Transport ist deshalb aktuell vor allem für die Therapie neurologischer Erkrankungen, wie Multiple Sklerose, beispielsweise mit therapeutischen monoklonalen Antikörpern von Interesse. Um derartige partikuläre Wirkstoffformulierungen zu erforschen, wurden zunächst Polylactid-co-Glycolid-Nanopartikel (PLGA) in Chitosan als Matrixmaterial mittels Sprühtrocknung zu PLGA-Chitosan-Nano-in-Mikro-Partikeln (NiMP) verkapselt. Solche sprühgetrockneten NiMPs wurden noch nie zuvor in der Literatur beschrieben, da bisher ausschließlich emulsionsbasierte Verfahren zur Beschichtung von PLGA-Nanopartikeln mit Chitosan genutzt wurden. Die in dieser Dissertation hergestellten NiMPs wiesen eine sphärische Form und Partikelgrößen von 5,75-6,61 µm auf. In ex vivo olfaktorischer Mukosa vom Schwein zeigten unverkapselte mit Emulsionspolymerisation hergestellte PLGA-Nanopartikel (80 nm, 175 nm, 520 nm) eine größen- und zeitabhängige Aufnahme. Es wurde ermittelt, dass 520 nm große PLGA-Partikel innerhalb von 15 min mit Zellkernen und Neurofilamenten assoziierten. Im Vergleich dazu steigerte Chitosan die Aufnahme der sprühgetrockneten NiMPs, was auf die Eigenschaft von Chitosan zurückgeführt wurde, Tight Junctions im olfaktorischen Epithel öffnen zu können und so einen parazellulären Transport zu ermöglichen. Die Öffnung von Tight Junctions durch die Wechselwirkung mit Chitosan wurde zum ersten Mal in olfaktorischem Gewebe mittels immunhistologischer Färbung des Proteins Zonula Occludens 1 (ZO-1) gezeigt. Anschließend wurde der Einfluss unterschiedlicher Chitosanderivate mit Deacetylierungsgraden (DD) von 80-90 % und Molekulargewichten (MW) von 20-500 kDa auf die Partikelmorphologie, die Partikelgrößenverteilung und die Partikelausbeute des Sprühtrocknungsprozesses untersucht. Das MW der Chitosan-Partikel, weniger hingegen deren DD beeinflusste die Morphologie und die Größenverteilung der aus der Sprühtrocknung resultierenden Partikel sowie die Ausbeute des Sprühtrocknungsprozesses. Bei 100 °C Einlasstemperatur konnten Partikel mit glatter Oberfläche, monomodaler Partikelgrößenverteilung (Polydispersitätsindex 0,02±0,01) und 69±9 nm Durchmesser produziert werden. Die in dieser Dissertation optimierten Prozessparameter ermöglichten zudem hohe Partikelausbeuten von über 60 % und eine kontinuierliche Produktion über einen Zeitraum von bis zu 40 min. Darüber hinaus wurden die Wirkstoffe Biotin und Ocrelizumab in dieser Dissertation zum ersten Mal in Chitosan verkapselt; dabei konnte eine hohe Verkapselungseffizienz von über 80 % für Beladungen zwischen 5 gew.% (Biotin, Ocrelizumab) und 15 gew.% (Ocrelizumab) mittels Sprühtrocknung erzielt werden. Mittels spektroskopischer Methoden wurde kein Unterschied zum nativen Molekül festgestellt, was eine intakte primäre und sekundäre Proteinstruktur impliziert. Lediglich ein bis zu 18%iger Verlust der Bindungskapazität nach erneuter Freisetzung aus den sprühgetrockneten Chitosan-Partikeln lies den Rückschluss auf Defekte der Tertiär- oder Quartärstruktur des Proteins zu. Die Glasübergangstemperatur der entwickelten Partikel betrug Tg ≈ 36 °C und bestätigte deren Lagerstabilität über fünf Wochen bei Raumtemperatur. Die Dissolutionstests in vitro zeigten keinen Burst-Release. Der Diffusionskoeffizient von Biotin wurde durch die Verkapselung in die Chitosan-Partikelmatrix auf DBiotin-Partikel = 4,11 10-5 cm²/s reduziert. Für Ocrelizumab resultierte ein signifikant niedrigerer Diffusionskoeffizient mit DOcrelizumab-Partikel = 1,79 10-6 cm²/s aus den Partikeln. Nach 360 h wurden 84,43±4,85 % Ocrelizumab freigesetzt. Die erhobenen Daten ließen die Anwendung des Korsmeyer-Peppas Modells zu, welches eine vollständige Freisetzung des Wirkstoffs innerhalb von 395 h voraussagte und eine Wirkstofffreisetzung über anormalen Transport anzeigte. Um die entwickelte Partikelformulierung an der Regio olfactoria fixieren zu können wurden native und Tyramin-modifizierte Hyaluronsäure-Lösungen (HA, HA-Tyr) als mögliche Beschichtung auf Mukosa untersucht. Dazu wurde das Spreitungsverhalten der HA-Lösungen unter Laborbedingungen und in einer Klimakammer - die physiologischen Bedingungen der Nase nachbildend – analysiert. Hierzu wurde ein Muzin-Agarose-basiertes artifizielles Mukosa-Analog mit der ex vivo Mukosa verglichen und validiert. Mit sinkender Polymerkonzentration der HA-Lösung reduzierte sich der Kontaktwinkel, das Seitenverhältnis des Tropfens stieg an und die Spreitung auf der Mukosa wurde beschleunigt. Die physiologischen Bedingungen der Nase begünstigten ebenfalls die Spreitung. Insgesamt konnte in dieser Dissertation erfolgreich eine Chitosan-basierte partikuläre Wirkstoffformulierung mittels Sprühtrocknung entwickelt werden, welche die strukturell intakte Verkapselung niedrigmolekularer Wirkstoffe und monoklonaler Antikörper ermöglicht. Für den therapeutischen Antikörper Ocrelizumab konnte eine kontrollierte Freisetzung über 15 Tage erzielt werden und das Matrixmaterial Chitosan bewirkte die Öffnung von Tight Junctions in der olfaktorischen Mukosa vom Schwein. Dadurch konnte eine verstärkte Aufnahme im olfaktorischen Epithel erzielt werden, was der Überwindung dieser biologischen Barriere entspricht und die Eignung der entwickelten Partikel für die intranasale Applikation deutlich macht. Das Spreitungsverhalten UV-vernetzbarer HA-Tyr-Lösungen ist für die Applikation auf Mukosa, und damit als befestigende Komponente des in dieser Dissertation entwickelten Drug Delivery Systems in der Nase geeignet.Item Open Access Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.Item Open Access Improving optical measurements, online monitoring, growth modeling, and automated control in microalgae production of Phaeodactylum tricornutum(2024) Yeh, Yen-Cheng; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)