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Liquid composite moulding (LCM) is an efficient process for manufacturing polymer
composite structures. During LCM a liquid thermoset resin is injected into the mould
cavity containing a pre-placed dry fabric preform. In the last step of the process the
resin cures and afterwards the part can be removed from the mould. Due to relative
low injection pressure applied in processing this technique is expected to offer
potential for cost reduction in the fabrication of large parts of complex shape.
However, in practice, much time is spent for optimising processing parameters and
properly designing the mould in order to avoid problems such as void formation and
dry spots. The common trial and error tactic to determine optimised parameters
increases time and costs for an optimal process configuration. Thus simulation will
help to speed up the development process saving cost and time.
When producing double curved parts the angles between warp and weft fibres of the
fabrics change and influence the permeability of the fabric as well as the preferred
direction of flow through the fabric during the injection phase. Further on these
shearing effects increase the fibre volume fractions and therefore less resin is
available in the correspondent areas. This leads to different results of the curing
process in the sheared areas compared to the curing process in the unsheared
areas.
Opposite to the current LCM simulation technique where only the injection process is simulated, this work presents the simulation of the three single processes and
combines them in an appropriate way to improve the simulation results.
First draping simulations are performed. Therefore, the shear behaviour is
investigated. These results are used in the draping simulation in order to obtain the
fibre orientations of the warp and weft fibres. The draping results are verified by
comparing them with the corresponding parameters of parts formed.
In order to use the results of the draping simulation in the flow simulation an interface
is developed that transforms the result files obtained from the draping simulation into
a file format suitable for the flow simulation. The mode of operation of this interface is
illustrated. First a standard file format is generated to combine the shearing angles
and the node locations delivered by PamForm™. A programme is developed that reads the node locations, the shear angles and the fibre orientations at the end of the
draping simulation and creates a new file usable for the flow simulations. Further on
several features are implemented in the new model as for example the automatic
generation of a circular inlet with a defined diameter and the adjustment of the
draping model to the model for the flow simulation concerning the fitting of the
geometry model. In order to consider the changes of permeability and fibre volume
fraction in sheared areas, zones are defined which represent areas of the same fibre
volume fractions and the same permeability. Flow experiments on sheared fabrics
are performed to get information about the flow behaviour. The permeability values of
the sheared fabric are calculated by observing the position of the flow front over time
and the application of Darcy’s law. This material behaviour is implemented into a
commercially available LCM-simulation software which is verified first using a simple
plate with a sheared fabric, then using a double curved structure (hemisphere) with
draped fabric. After the verification based on the hemisphere another part is chosen
to show the ability of the interface to deal with more complicated geometries.
To obtain the input parameters for the cure kinetic model of Kamal-Sourour an epoxy
resin is characterised using DSC. The validity of this model is verified by comparing
the cure process of a flat sheet with a rib with the corresponding simulation results.
To determine the influence of the fibre volume fraction on the maximum temperature,
a cure simulation of the hemisphere with the zone distribution is performed. Cure
Simulation on a flat plate are done to quantify the influence of the thickness of the
part on the maximum temperature in the part.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulation der Prozesskette der
Harzinjektionsverfahren vorgestellt. Dazu wird der Gesamtprozess in drei
unterschiedliche Einzelprozesse unterteilt: Drapierung, Injektion und Aushärtung.
Die für die gesamte Prozesskette grundlegende Simulation stellt die
Drapiersimulation dar. Diese liefert die Faserorientierungen des drapierten Bauteils,
die für die im Anschluss durchzuführende Injektionssimulation entscheidend sind.
Um die Ergebnisse der Drapiersimulation zur Simulation der Fließvorgänge zu
nutzen, wird eine Schnittstelle entwickelt. Diese wandelt die Ergebnisse der
Drapiersimulation in ein für die Injektionssimulation nutzbares Format um und
berücksichtigt deren spezielle Anforderungen an das Simulationsmodell.
Zur möglichst effizienten Durchführung der Harzinjektionssimulation wird das Modell
in einzelne Zonen mit gleichen Permeabilitätswerten und Faservolumengehalten
unterteilt. Um den Einfluss der Gewebescherung auf das Fließverhalten von Fluiden
zu ermitteln, werden Fließversuche mit gescherten Geweben durchgeführt und
verifiziert.
Die Funktionsweise der Schnittstelle und die Anwendbarkeit der gemessenen
Materialkennwerte werden an einer Kugelhalbschale demonstriert und durch
Versuche verifiziert. Anhand einer Armaturentafel wird der Nutzen der Schnittstelle
für die Fließsimulation komplexer Bauteile gezeigt.
Die Prozesskette wird mit der Simulation der Aushärtevorgänge abgeschlossen.
Dazu wird ein reaktionskinetisches Modell nach Kamal-Sourour für ein ausgewähltes
Epoxidharz erstellt. Anhand einer Rippenstruktur wird die Aushärtesimulation
verifiziert. Durch die Aushärtesimulationen kann der Einfluss des Faservolumengehalts
sowie der Bauteildicke auf die während des Aushärtevorgangs erreichbaren
Maximaltemperaturen ermittelt werden.
The work presented here supports the industrial use of natural fibre reinforced composite
materials under mass production circumstances. Potentials for optimising the
materials’ properties are offered and evaluated with regard to their effect on the
process chain material – coupling agent – processing. The possibility to use these
materials in mass production applications are improved by optimising each partial
stage.
Throughout the world there exists a great variety of suitable applications for this
group of composites affecting the raw materials choice. The Europe’s market is
stamped by the requirements of the automotive industry, the important markets of
Japan and the USA are dominated by civil engineering and landscaping applications.
A yearly increase of 18 % in Europe, 25 % in Japan and 14 % in the US is expected.
The US market offers the largest market volume of more than 480000 t exceeding
the European Market for nearly five times.
To enhance the fields of application for natural fibre reinforced thermoplastics the
common techniques of the film-stacking and the compression moulding process are
used to manufacture optimised composites based on polypropylene and bast (hemp,
flax) as well as leaf (sisal) and wood (spruce) fibres. Therefore new semi finished
parts for the compression moulding process had to be developed.
Within the manufacturing of natural fibre reinforced polypropylene using the filmstacking
process material and process parameters were identified to transfer the
gathered knowledge to the compression moulding process. It has been seen that
most problems are caused by the organic origin of the fibres. Especially the addiction
of the fibres to decompose when treated with higher temperatures under pressure
hampers their use in thermoplastic composites.
By investigating wood fibres as reinforcements, which differ from bast fibres in their
chemical composition the influence of the process parameters temperature and pressure
on the composite properties were evaluated and verified for hemp fibre reinforced
polypropylene. The minimum process time was observed and in order to enhance
the fibre-matrix-adhesion by using coupling agents the diffusion of the coupling
agent molecules was determined theoretically. Therefore a model was evaluated dealing with the maximum mass flow of coupling agent being transferred in the
fibre-matrix-interface because of mass transfer mechanisms.
In order to optimise the wetting of the fibres with the matrix different possibilities to
modify the fibres were investigated. Drying the fibres prior to the manufacturing of the
composite is an easy and effective way to improve the fibre-matrix-adhesion. The
tensile strength of all composites rose conspicuously. The removal of dust and water
soluble substances by washing led to a higher tensile strength only with the sisal fibre
reinforced composite. Washing the other fibres led to decreasing fibre wetting.
Fibre substances like lignin and pectin were removed using the mercerisation technique.
Composites made from these chemically retted fibres show the more disintegrated
fibre structure and a worse wet ability of the fibre surface with the polypropylene.
Hence the tensile and bending strength was not enhanced. The Charpy impact
strength of the composite raised distinctly.
The use of coupling agents based on maleic acid crafted polypropylene led to an increasing
tensile strength up to 58 % compared to the composite manufactured with
pre-dried fibres. The bending strength raised about 109 %. The Charpy decreased
about 60 to 80 %. Flax fibre reinforced composites showed the highest tensile
strength, sisal fibre reinforced composites offered the highest Charpy. No differences
between copolymeric and homopolymeric polypropylene when using PP-MAH as
coupling agents were determined.
The kind of application of the coupling agent in the compound has an major effect on
the amount of coupling agent to be added. The closer the coupling agent is brought
to the fibres surface at the beginning of the impregnation step the less amount has to
be used. If using an aqueous suspension the least amount had to be added as the
coupling agent remains directly on the fibre surface after drying. Mixing the coupling
agent with the polypropylene hinders the well dispersed PP-MAH to act in the fibrematrix-
interface effectively, so the amount of coupling agent has to be increased.
The comparison of coupling agent containing compounds which differ in the amount
of coupling agent and the molar mass distribution showed the amount of coupling
agent related to the mass of fibres to be the important parameter to dose the PPMAH.
The mean molar mass distribution had no effect on the compounds’ properties.Transferring the knowledge gained from the film-stacked composites to the compression
moulding process offered the possibility to use jute long fibre reinforced granules
(LFT) under optimised processing conditions. The composites gained from the molten
and pressed granules showed the highly dependency of the mechanical properties
to the fibre direction in the part. If the fibres are able to flow along the cavity and
direct themselves into parallelism the tensile and bending strength increases in the
main flow direction and decreases perpendicular to this direction. The impact
strength decreases with raising orientation of the fibres. The jute fibre surface presents
a better adhesion to the polypropylene as the surfaces of the hemp, flax and
sisal fibres, which could be improved by adding PP-MAH as coupling agent.
A newly developed pelletised semi finished part with sisal fibre reinforcement and the
development of a direct impregnation process using solely a horizontal plasticating
unit completes the work. Using an established plasticating extruder offers the possibility
for the compression moulding industry to process natural fibre reinforced polypropylene
with less investment. The compression moulded sisal fibre reinforced polypropylene showed varying fibre directions and disproportionate fibre-matrixadhesion.
As a result of the plasticating process in some parts bended fibres are still
visible after compression moulding. Hence the used single-screw plasticator is not
able to equalize the molten material. Increasing the compaction pressure was not
possible as some parts showed beginning fibre degradation. Adding PP-MAH improved
the fibre-matrix-adhesion but the positive effect of the materials’ strength was
not as clear as found for the film-stacked composites. Regarding the additional expenditures
for compounding and the coupling agent costs the use of PP-MAH in
compression moulded parts seems not to be useful.
Compared to the compression moulded glass fibre reinforced polypropylene from
GMT and LFT-materials the natural fibre reinforced composites cannot reach the
high level of material properties. Optimising the fibre-matrix-interface increases the
properties but they are still lower than the properties of the glass fibre reinforced composites. Therefore the natural fibre reinforced materials are not able to substitute
the traditional GMT and LFT, they rather should be used in new applications with
lower demands.
Gradientenwerkstoffe sind Werkstoffe, deren Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur sich in einer oder mehreren räumlichen Richtungen ändert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, funktionelle Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf verschiedenen Oberflächen oder Seiten speziell an einzelne Anwendungsfälle anzupassen. Bei der Herstellung der Gradientenwerkstoffe mit einer durchgängigen Matrix ergeben sich weitere besonderen Eigenschaften wie eine kontinuierliche Änderung der Materialeigenschaften. Solche Werkstoffe besitzen gegenüber beschichteten oder sandwichartig aufgebauten Materialien außerdem die Vorteile niedriger innerer Spannungen und sie neigen nicht zu Abplatzeffekten. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Zentrifugation eine geeignete Methode zur Herstellung Epoxidharz-basierender Gradientenwerkstoffe ist. Bei einer entsprechenden Wahl der Zentrifugationsparameter wie Drehzahl, Dauer der Zentrifugation und Viskosität des Harzes ließen sich kontrolliert unterschiedlichste Füllstoffverteilungen einstellen. Diese umfassten Varianten von der homogenen Verteilung über eine kontinuierliche gradierte Änderung des Füllstoffgehalts bis hin zu einer vollständigen Separation der Probe in einen Reinharzbereich und einen maximal gefüllten Bereich. Es wurde ein Softwaretool entwickelt, das die Füllstoffverteilung in Abhängigkeit aller Zentrifugationsparameter berechnete. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung der Experimente mit der Simulation. Durch die Zentrifugation ließen sich in den äußeren Probenbereichen wesentlich höhere Füllgrade erzielen, als dies durch reine Vakuummischtechnik möglich gewesen wäre. Bei einigen Füllstoffen und Füllstoffkombinationen zeigten die maximal gefüllten Zonen der Gradientenwerkstoffe eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit als die maximal isotrop gefüllten Proben. Diese Verbesserung durch Gradierung ließ sich auch für trockengeschmierte, Graphit-gefüllte Werkstoffe zeigen. Die Verschleißraten der trockengeschmierten Gradientenwerkstoffe verringerten sich gegenüber den ungeschmierten Werkstoffen deutlich. Bei einer geeigneten Wahl der Füllstoffverteilung ließ sich sowohl eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf der äußeren, verschleißbelasteten Zone der Materialien erzielen, als auch gleichzeitig eine höhere Schlagzähigkeit im Inneren der Probe. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch die Gradierung konnte auf eine Bauteilgeometrie übertragen werden. Gleitlager-Innenringe mit einer, durch Zentrifugation hoch gefüllten äußeren Zone, zeigten in Gleitverschleißexperimenten eine höhere Verschleißfestigkeit als vergleichbare isotrope Werkstoffe. Als weiter Demonstrator-Bauteile wurden Laufrollen mit der gleichen Geometrie wie kommerziell erhältliche Rollen hergestellt. Diese Rollen wurden mit einem kontinuierlichen Aramid Gradienten in der polymeren Zone um den Stahlkern gefertigt.
A wavelet technique, the wavelet-Mie-representation, is introduced for the analysis and modelling of the Earth's magnetic field and corresponding electric current distributions from geomagnetic data obtained within the ionosphere. The considerations are essentially based on two well-known geomathematical keystones, (i) the Helmholtz-decomposition of spherical vector fields and (ii) the Mie-representation of solenoidal vector fields in terms of poloidal and toroidal parts. The wavelet-Mie-representation is shown to provide an adequate tool for geomagnetic modelling in the case of ionospheric magnetic contributions and currents which exhibit spatially localized features. An important example are ionospheric currents flowing radially onto or away from the Earth. To demonstrate the functionality of the approach, such radial currents are calculated from vectorial data of the MAGSAT and CHAMP satellite missions.
The article is concerned with the modelling of ionospheric current systems from induced magnetic fields measured by satellites in a multiscale framework. Scaling functions and wavelets are used to realize a multiscale analysis of the function spaces under consideration and to establish a multiscale regularization procedure for the inversion of the considered vectorial operator equation. Based on the knowledge of the singular system a regularization technique in terms of certain product kernels and corresponding convolutions can be formed. In order to reconstruct ionospheric current systems from satellite magnetic field data, an inversion of the Biot-Savart's law in terms of multiscale regularization is derived. The corresponding operator is formulated and the singular values are calculated. The method is tested on real magnetic field data of the satellite CHAMP and the proposed satellite mission SWARM.
In this paper we introduce a multiscale technique for the analysis of deformation phenomena of the Earth. Classically, the basis functions under use are globally defined and show polynomial character. In consequence, only a global analysis of deformations is possible such that, for example, the water load of an artificial reservoir is hardly to model in that way. Up till now, the alternative to realize a local analysis can only be established by assuming the investigated region to be flat. In what follows we propose a local analysis based on tools (Navier scaling functions and wavelets) taking the (spherical) surface of the Earth into account. Our approach, in particular, enables us to perform a zooming-in procedure. In fact, the concept of Navier wavelets is formulated in such a way that subregions with larger or smaller data density can accordingly be modelled with a higher or lower resolution of the model, respectively.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Chemorheologie von Duromeren mit
hybrider und interpenetrierender Struktur. Als Duromere werden fünf verschiedene
Harze untersucht: ein Vinylester-Harz (VE-Harz), ein Vinylester-Urethan-Hybridharz
(VEUH-Harz), ein schlagzähmodifiziertes VEUH-Harz (VEUH/ETBN-Harz), ein Vinylester-
Epoxid-Harz (VE/EP-Harz) und das reine aminhärtende Epoxid (EP-Harz), das
kommerziell als Reinstoff nicht eingesetzt wird, sondern als Verdünnungsmittel dient.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Chemorheologie der genannten Harze zu messen
und zu modellieren.
Einige der untersuchten Harze sind bekannt, aber ihre Kombination, besonders in der
Form des VE/EP-Harzes sind völlig neu, so dass die Harze im Rahmen dieser Arbeit
zunächst untersucht und charakterisiert werden. Im experimentellen Teil der Arbeit
werden zur in situ Messung der Vernetzung die Thermogravimetrie, die Differenz-
Kalorimetrie, die Infrarot-Spektroskopie, die Rheometrie und die Dielektrometrie angewendet.
Es wird nachgewiesen, dass das VE-Harz radikalisch polymerisiert, das
VEUH-Harz und auch das schlagzähmodifizierte VEUH/ETBN-Harz in einer Kombination
aus Polyaddition und radikalischer Polymerisation vernetzen, das VE/EP-Harz in
einer Polyaddition mit überlagerten geringen Anteilen der radikalischen Polymerisation
und das EP-Harz in einer Polyaddition mit einer autokatalytischen Komponente zu Beginn
der Reaktion vernetzt. Anschließend werden die Netzwerke mit Hilfe von Wasseraufnahme,
Dynamisch-Mechanischer Thermoanalyse (DMTA) und Dichtebestimmungen
charakterisiert. Die Wasseraufnahme gibt einen ersten Hinweis auf die Netzwerkstruktur
und zeigt, dass das VE-, das VEUH- und das VEUH/ETBN-Harz sehr ähnliche
Netzwerke zu haben scheinen. Aus den Ergebnissen kann man weiterhin schließen,
dass das VE/EP-Harz ein deutlich weitmaschigeres Netzwerk im Vergleich zu den anderen
untersuchten Harzen hat. Da das EP-Harz während des Versuchs hydrolytisch
degradiert, kann keine Aussage über das Netzwerk getroffen werden. Aus den DMTAMessungen
erkennt man, dass die Glasübergangstemperatur des VE/EP-Harzes wie
erwartet zwischen denen der beiden reinen Komponenten liegt. Der Peak des Verlusttangens
ist deutlich breiter als die Peaks der anderen Harze. Die Dichtemessungen
zeigen, dass die Dichte sowohl des flüssigen als auch des festen VE/EP-Harzes am geringsten ist, die prozentuale Dichtezunahme vom flüssigen zum festen Harz jedoch
am größten ist.
Da die Schrumpfmessung von Harzen während der Vernetzung eine für die Praxis
sehr interessante Größe darstellt, jedoch kein kommerzielles Messgerät zur Verfügung
steht, wird diese Messgröße gesondert behandelt und mit einem in dieser Arbeit entwickelten
Gerät bestimmt. Es wird erfolgreich die Änderung des chemischen Schrumpfes
der Harzproben wie auch ihre thermische Volumenausdehnung gemessen. Abschließend wird ein mathematisches Modell aufgestellt, das die Chemorheologie
des VE-, EP-, und VE/EP-Harzes erfolgreich vorhersagt. Die Entwicklung der Modellgleichungen
beruht auf einer einheitlichen, systematischen Strategie und setzt ausschließlich
bekannte Komponenten ein. Der systematische Einsatz der einzelnen Komponenten
ist neu. Insgesamt ist das Modell in der Lage, die Viskositätsänderung der
Harze, die sie während ihrer Härtung erfahren, sowohl unter isothermen als auch dynamischen
Temperaturbedingungen zu berechenen.
The thesis at hand deals with chemorheology of duromeric materials having hybrid and
interpenetrating structures. Five different resins are investigated: a vinylester resin (VEresin),
a vinylester-urethane resin (VEUH-resin), a toughness modified VEUH-resin
(VEUH/ETBN-resin), a vinylester-epoxy resin (VE/EP-resin) and the pure amin-curing
epoxy (EP-resin). Commercially, the latter is not used on its own but only as solvent.
The aim of this work is to measure the crosslinking behaviour of these resins experimentally
and to simulate it mathematically.
Some of the resins named above are known but their combination, especially in the
form of VE/EP-resin, is completely new. Therefore the resins have to be characterised
first. Thermogravimetry, differential calorimetry, infrared spectroscopy, rheometry and
dielectrometry are used in the experimental part for in situ measurements of the crosslinking.
It is seen that the VE-resin crosslinks by radical polymerisation, the VEUH-resin
and the toughness modified VEUH/ETBN-resin by a combination of polyaddition and
radical polymerisation, the VE/EP-resin by polyaddition with small overlapping effects
caused by radical polymerisation whereas the EP-resin crosslinks by polyaddition with
autocatalytic components in the beginning of the reaction. Thereafter the crosslinked
resins are characterised with the help of water penetration, dynamic mechanical thermoanalysis
(DMTA) and density measurements. Water penetration gives first information
about the network structure; the VE-, the VEUH- and the VEUH/ETBN-resin seem to
have very similar networks. Moreover, it can be concluded from these experiments that
the network of the VE/EP-resin is wider compared to the other resins. Since the EPresin
degradates hydrolytically during the experiment its network cannot be analysed
by this method. The DMTA-experiments show that the glass transition temperature of
the VE/EP-resin is inbetween the glass transition temperatures of its pure components.
The peak of the loss modulus tanδ is clearly wider compared to the other resins. Density
measurements show, that the density of the liquid as well as of the solid VE/EP-resin
is the lowest, whereas the percentage of the density increase during solidification is
highest.
Since shrinkage measurements during crosslinking are very interesting from the industrial
point of view and there is no commercially available instrument at hand, an
instrument is developed within this thesis and shrinkage measurements are discussed
separately. The chemical shrinkage of the resins is successfully measured with this
new method. Also their thermal volume expansion is measured.
Finally, a mathematical modell is presented that simulates the chemorheology of the
VE-, EP-, and VE/EP-resin. The modell for the chemorheology is based on a unified
and systematical approach and uses well known components only. The combination
of the components is new. The modell is able to predict the resins’ viscosity during isothermal and dynamic experiments at the same time. The target of modelling the viscosity
of a resin independent from the time-temperature-profile is still discussed in the
open literature and the results of this thesis provide a contribution to this discussion.
Furthermore the mathematical approach of the chemorheological modell is simple and
only a small number of isothermal experiments is needed to determine the modell’s
parameters. Thus its handling is easy, even in a commercial environment.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in die drei Themenschwerpunkte FICTION-Technik (Fluorescence-Immunophenotyping and Interphase Cytogenetic as a Tool for Investigation of Neoplasms), SKY-Technik (Spectral Karyotyping) und Kultivierungsverfahren. Mittels der FICTION-Technik konnte gezeigt werden, dass die Trisomie 12 bei 53 untersuchten B-CLL-Patienten mit etwa 11% deutlich seltener auftrat, als in der Literatur beschrieben. Es scheint eine Assoziation zwischen dem Auftreten einer Trisomie 12 und einer atypischen B-CLL vorzuliegen, da drei der sechs Fälle mit Trisomie 12 eine atypische B-CLL Variante darstellten. Bei einem Fall konnte der Trisomie 12 tragende Klon über 13 Monate beobachtet werden und zeigte in diesem Zeitraum keine signifikante Veränderung. Der Klon blieb weitestgehend stabil. Eine aus Vorversuchen von Doris Herrmann vermutete Existenz einer Monosomie 12 bei B-CLL-Patienten (persönliche Miteilung) hat sich nicht bestätigt. Bei allen untersuchten Proben lagen die Zellen mit Monosomie 12 unter dem ermittelten cut off level von 10,2% für die Hybridisierung. Als zweiter Schwerpunkt wurde die Einsatzfähigkeit der SKY-Technik in der Tumorzytogenetik durch die Analyse von 20 Tumorfällen ausgetestet. Unter den 20 untersuchten tumorzytogenetischen Fällen konnte bei 12 der durch G-Bänderung erhobene Befund verbessert und erweitert werden. Bei drei Fällen wurden neue, in der G-Bandenanalyse nicht gefundene Aberrationen identifiziert und in fünf Fällen bestätigte sich der G-Bandenbefund. Die SKY-Technik erwies sich als wertvolle Methode zur weiteren Charakterisierung von komplex aberranten Karyotypen oder zur Identifikation von Markerchromosomen, wobei nicht alle Aberrationen aufklärt werden konnten. Unter den 20 untersuchten Fällen wurde bei zwei myeloischen Erkrankungen neben einer Monosomie 7 die Translokation t(3;21)(q26;q22) gefunden. Möglicherweise kommt diese häufiger als bisher beschrieben in myeloischen Erkrankungen vor, weil sie durch die G-Bandenanalyse nicht sicher erkannt wird. Vorzugsweise scheint sie neben einer Monosomie 7 aufzutreten. In dem Schwerpunkt, der sich mit der Kultivierung von neoplastischen B-Zellen beschäftigte, konnte ein neues Kultivierungsverfahren für B-Zellen entwickelt werden. Eine Kultivierung mit MP-6 Zellen konditioniertem ISCOVE-Medium und dem Phorbolester TPA zeigte in 15 von 20 Proben einen synergistischen Effekt auf die Proliferationssteigerung (um das 1,5-21 fache) gegenüber dem TPA-Standardansatz in RPMI-Medium. Durch eine Metaphasenanalyse von fünf Fällen mit numerischen Mosaikbefunden konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis zwischen aberranten und normalen Klonen bei beiden Kultivierungsarten etwa gleich blieb. Eine Lebend-Tot-Bestimmung vor und nach der Kultivierung zeigte, dass nach 72-stündiger Kultivierung in den Kulturen mit dem höchsten Mitoseindex die durchschnittlich Lebendzellzahl am geringsten (ca. 70%) war.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht verschiedene Aspekte der Wirkung von "nicht-dioxinartigen" PCBs in Hepatozyten in vitro aufzuklären und mit einer in vivo-Studie einen Beitrag zur Aufklärung der tumorpromovierenden Wirkung von zwei "nicht-dioxinartigen" PCB-Kongeneren zu leisten. Zur Untersuchung der Beeinflussung der intrazellulären Calcium-Homöostase wurden isolierte Membranfraktionen einer Rattenleber nach dem Einbau von spinmarkierten Fettsäuren mit zwei PCB-Kongeneren unterschiedlicher räumlicher Struktur behandelt und mit Hilfe der Elektronen Spin Resonanz vermessen. Weder das "dioxinartige" PCB 126 noch das "nicht-dioxinartige" PCB 153 zeigten einen direkte Störung der Membranintegrität. Die Bestimmung der intrazellulären Ca2+-Konzentration von Rattenhepatozyten in Primärkultur erfolgte mikrofluorimetrisch nach Beladung der Zellen mit einem Ca2+-sensitiven Farbstoff. Auch hier ergab sich keine Störung der Ca2+-Homöostase nach einer Behandlung mit PCB 153. Die Beeinflussung eines apoptotischen Signalweges, die Signaltransduktion über PI3K/PKB, wurde anhand der Phosphorylierung des proapoptotischen Proteins Bad in Rattenhepatozyten in Primärkultur überprüft. PCB 153 zeigte in niedrigen Konzentrationen eine Phosphorylierung von Bad an Serin 136. Der Gesamtproteinlevel war nach Behandlung mit PCB 153 in einigen Versuchen sehr stark reduziert. Diese Befunde stellen einen wichtigen Ansatzpunkt für eingehendere mechanistische Untersuchungen der tumorpromovierenden Wirkung dieser Substanzen dar, der im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr verfolgt werden konnte. Mit einem Caspase-3-Assay konnte in vorliegender Arbeit ein biochemischer Apoptose-Nachweis in primären Hepatozyten etabliert werden. Die Topoisomerase-Inhibitoren Etoposid und Camptothecin zeigten sich zur Aktivierung der Caspase-3 als weniger gut geeignet. Der Einsatz von MNNG als apoptogenem Agens verlief erfolgreich, was durch fluoreszenzmikroskopische Detektion apoptotischer Zellkerne bestätigt werden konnte. Im weiteren Verlauf wurde die Beeinflussung der MNNG-induzierten Caspase-3-Aktivierung durch verschiedene Tumorpromotoren untersucht. Mit Phenobarbital und dem "nicht-dioxinartigen" PCB 153 konnte eine Hemmung der MNNG-induzierten Caspase-3-Aktivität gezeigt werden. Dieser Effekt wurde bei Behandlung mit TCDD und dem "dioxinartigen" PCB 126 jedoch nicht gesehen. Die Überprüfung dieser Ergebnisse in einem weiteren biochemischen Nachweis der Apoptose, der Freisetzung von Cytochrom c aus den Mitochondrien, konnte nicht mehr in ausreichendem Maße durchgeführt werden. In einer an weiblichen Wistar-Ratten durchgeführten Initiations-Promotions-Studie zeigte sich eine schwache tumorpromovierende Wirkung der beiden "nicht-dioxinartigen" PCB-Kongenere 28 und 101. Das promovierende Wachstum wurde anhand zweier charakteristischer Parameter für Präneoplasien der Leber, einer verringerten ATPase-Aktivität und einer erhöhten Expression der GSTP, nach vorangegangener Behandlung mit DEN untersucht. Es konnte für beide Kongenere eine signifikante Zunahme des ATPase-negativen Focusvolumens, nicht aber der Zahl der ATPase-negativen Foci gezeigt werden. GSTP-positive Foci zeigten kein signifikantes promovierendes Wachstum. Nach Behandlung mit PCB 28 war eine Zunahme des relativen Lebergewichts zu verzeichnen. Eine erhöhte DNA-Synthese in GSTP-positiven Zellen konnte nicht gezeigt werden. Eine Analyse der PCB-Gehalte im hepatischen Gewebe der Versuchstiere ergab eine 5-13-fach höhere Akkumulation von PCB 28, möglicherweise resultierend aus einer schnelleren Metabolisierung von PCB 101. Entstehende Metabolite wurden im Rahmen dieses Versuchs jedoch nicht analytisch erfasst. Es zeigte sich eine Induktion der PROD durch PCB 28 und 101, auch die EROD konnte durch beide Kongenere induziert werden, wobei die Induktion durch PCB 28 hier wesentlich höher lag. Da die Induktionshöhe der EROD jedoch sehr gering ist, können die Kongenere nicht als "mixed type inducer" angesehen werden.
Der Einsatz von Monotrimethylsilylcyclopentadien als Ligandensystem bei der Cothermolyse von [{(h5-Cpˉ)(CO)3Mo}2] mit weißem Phosphor liefert ein mit der bissilylierten Spezies vergleichbares Produktbild. Allerdings können bei der Aufarbeitung nur zwei neue phosphorhaltige Produkte isoliert werden. [{(h5-Cpˉ)Mo}2(m-h6:6-P6)] (3) zeichnet sich, wie für diese Art von Tripeldecker typisch, durch eine sowohl hohe thermische Stabilität als auch nur geringe Empfindlichkeit gegenüber Luftsauerstoff aus. Von Verbindung 3 konnte eine Röntgenstrukturanalyse angefertigt werden. [{(h5-Cpˉ)Mo}2(m-h6:6-P6)] (3) ist im Gegensatz zu dem bissilylierten Analogon nicht symmetrisch aufgebaut. Der Winkel zwischen Mo(1)-P6 Zent.-Mo(2) beträgt 149.8° und die drei Decks weichen von der Parallelität ab. Aufgrund der Eigenschaft von [{(h5-Cpˉ)(CO)2Mo}(h3-P3)] (2), sich unter thermischen und photolytischen Bedingungen in Komplex 3 umzuwandeln, eignete sich diese Verbindung nicht als Edukt für weitere Reaktionen. Eine Übertragung der Ergebnisse auf Wolfram gelang vermutlich aufgrund der geringen Reaktivität von W(CO)6 nicht. Die cothermolytische Umsetzung des pseudo-Tripeldecker-Komplexes [{CpRFe}2(µ-η4:4-P4)] (J) mit einer äquimolaren Menge an Alkin liefert, abhängig vom Substituentenmuster, ein mit dem des Butterfly-Komplexes [{CpRFe(CO)2}2(µ-η1:1-P4)] vergleichbares Produktbild an Polyphospholyl-Verbindungen, das sich allerdings in einigen Punkten signifikant unterscheidet. Bei der Verwendung von unsymmetrisch substituierten Alkinen werden im Gegensatz zu Verbindung [{CpRFe(CO)2}2(µ-η1:1-P4)] ausschließlich Sandwichkomplexe des Typs [{CpRFe}(η5-(P3(C2R´H))] mit einem η5-koordinierten 1,2,3-Triphospholylliganden in guten Ausbeuten gebildet.Wird dagegen ein symmetrisch substituiertes Alkin eingesetzt, so wird neben dem korrespondierenden Triphospholylkomplex auch das Monophosphaferrocen [Cp=Fe (η5-P(C2Ph2)2)] (8) gebildet. Da dieses Produktbild nur im Falle des Komplexes [{Cp=Fe}2(µ-η4:4-P4)] und des Alkins Tolan festzustellen ist, kann diese Tendenz nicht verallgemeinert werden. Das Produktbild der Cothermolyse von [Cpˉ´Fe(η5-P5)] (N) mit [Cpˉ´Co(CO)2] (O) ähnelt sehr stark dem der bissilylierten Analoga. So werden bei der thermischen Reaktion von [Cp=Fe(η5-P5)] mit [Cp=Co(CO)2] die zu den Verbindungen 11, 12, 13, 14 und 15 im Grundgerüst identischen mehrkernigen Bis(trimethylsilyl)cyclopentadienyl-Komplexe gebildet. Verbindung [{Cpˉ´Co}{{Cpˉ´Fe}2(µ-CO)}(µ3-P)2] (16) stellt allerdings einen neuen Vertreter der Reihe mehrkerniger phosphorhaltiger Eisen-Cobalt-Cluster dar. Die Röntgen-strukturanalyse von 16 zeigt einen trigonal bipyramidalen Aufbau des Komplexes, bei dem zwei Eisen- und ein Cobaltatom die Basis und zwei Phosphoratome die Spitzen über und unter der Dreiecksfläche bilden. Die Eisenkerne werden von einer Carbonylgruppe verbrückt und die 18 VE-Regel damit erfüllt. [{Cpˉ´Co}{{Cpˉ´Fe}2(µ-CO)}(µ3-P)2] (16) ist bisher der einzige bekannte hetero-bimetallische Phosphorkomplex mit einer solchen Struktur.
Die Bindung von F1 an FO in der ATP-Synthase erfolgt über zwei Stiele. Während man davon ausgeht, dass der erste Stiel direkt an der ATP-Synthese beteiligt ist, so ist die Funktion des zweiten Stiels, der u.a. aus der b-Untereinheit besteht, noch recht unklar. Ein erster Schritt die Funktion des zweiten Stiels aufzuklären ist das Verständnis der Struktur der als Dimer auftretenden Untereinheit b. Mit Hilfe der ESR-Spektroskopie sollten neue Erkenntnisse bezüglich der Quartärstruktur von b2 erhalten werden. Die Untersuchungen wurden an einer verkürzten, wasserlöslichen Form von b, die als bsyn oder b24-156 bezeichnet wird, durchgeführt. bsyn lag hierbei alleine bzw. im Komplex mit F1 vor. bsyn konnte so in einem Bereich von 14 Aminosäuren, d.h. von knapp vier Helixumdrehungen (3,6 Aminosäuren pro Umdrehung) untersucht werden. Die Proteine wurden mit IAAT modifiziert und bei 193 K vermessen. Durch Simulation der so erhaltenen Spektren war es möglich Spin-Spin-Abstände zu bestimmen. Desweiteren wurden die bsyn-Mutanten Crosslink-Experimenten unterzogen, bei denen es in Abhängigkeit der relativen Abstände und Orientierung der Cysteine zueinander zur Ausbildung von Disulfidbindungen kommt. So war es möglich, über die Stärke der Crosslinks Rückschlüsse auf die Cystein-Cystein-Abstände zu ziehen.
Ochratoxin A (OTA) ist ein nierentoxisches und -kanzerogenes Mykotoxin, das von verschiedenen Aspergillus- und Penicillium-Stämmen gebildet wird. Kontaminationen mit OTA sind vor allem in pflanzlichen Produkten wie Getreide und Getreideprodukte, Kaffee, Traubensaft und Wein, Bier, Nüsse, Gewürze aber auch in Fleisch nachweisbar. Verbraucher nehmen in Deutschland wöchentlich ca. 5 ng/kg KG OTA auf. In subakuten und subchronischen Studien wurde ausgeprägte Nierentoxizität gezeigt, zudem ist OTA als immunsuppressiv, teratogen, neurotoxisch und hepatokanzerogen beschrieben. Eine Beteiligung von OTA an der beim Menschen auftretenden endemischen Balkannephropathie (BEN) wird diskutiert. Der Mechanismus der kanzerogenen Wirkung von OTA ist noch immer unklar. Die in Studien zur Genotoxizität erhaltenen, widersprüchliche Resultate könnten möglicherweise auf sekundäre Mechanismen wie oxidativem Stress zurückzuführen sein. Die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies und die Induktion von Lipidperoxidation wurde beobachtet, eine Reihe toxischer Effekte in vitro und in vivo war durch Gabe von Antioxidantien abgeschwächt. Mit verschiedenen Endpunkten (Nekrose, Wachstumshemmung, Apoptose) wurde in Zelllinien (V79, CV-1) und in primären proximalen Tubuluszellen der Ratte (PNZ) die Induktion von Zytotoxizität durch OTA untersucht. OTA zeigte in Kurzzeitinkubations-Experimenten (1 h) kein Potenzial, die Viabilität von Zelllinien und PNZ zu verringern. Nach 24stündiger Inkubation war nur in V79-Zellen die Membranintegrität (Trypanblauausschluss) beeinträchtigt. Eine starke Wachstumshemmung mit IC50-Werten um 2 µmol/L wurde in beiden verwendeten Zelllinien gemessen. Mittels eines immunchemischen Tests und der Durchflusszytometrie wurde bei Konzentrationen über 1 µmol/L OTA (24 h) die Induktion von Apoptose beobachtet. Die in CV-1-Zellen beobachteten Parameter für Zytotoxizität, insbesondere die durchflusszytometrischen Untersuchungen, zeigten, dass die Effekte in einem relativ eng begrenzten, µmolaren Konzentrationsbereich zu beobachten sind, also möglicherweise nicht spezifisch Nekrose oder Apoptose induziert wird. Zu den Mechanismen, über die unspezifisch Nekrose und Apoptose in Zellen induziert werden kann, gehören z.B. oxidativer Stress und DNA-Schädigung. Mit Hilfe des Comet-Assays wurde in den Zelllinien und PNZ die Induktion von (oxidativen) DNA-Schäden durch OTA untersucht. Die DNA-Basisschädigung war nur nach Kurzzeitinkubation (1h) mit sehr hohen OTA-Konzentrationen (> 500 µmol/L) in den Zelllinien bzw. nach 24 h in V79-Zellen erhöht. FPG-sensitive Stellen in der DNA wurden in allen verwendeten in vitro-Testsystemen nachgewiesen. Nach einstündiger Inkubation waren PNZ deutlich sensitiver gegenüber der Induktion von oxidativen DNA-Schäden (ca. Faktor 20) als die Zelllinien. Dies deutet darauf hin, dass die PNZ im Vergleich zu den Zelllinien stoffwechselbedingte Besonderheiten aufweisen, die die erhöhte Sensitivität bedingen. Nach 24stündiger Inkubation mit OTA lagen die Konzentrationen, die in den Zelllinien und den PNZ oxidative DNA-Schäden induzierten in einem vergleichbaren µmolaren Bereich. Der Verlust der erhöhten Sensitivität der PNZ könnte auf eine Umstellung des Stoffwechsels nach der insgesamt 48stündigen Kultivierung zurückzuführen sein. Das gemeinsame Auftreten von oxidativem Stress, Nierentoxizität und Zellproliferation könnten evtl. einen alternativen Mechanismus der Nierenkanzerogenität von OTA bilden. In Kooperation mit Dr. Turesky (NCTR, Jefferson, USA) wurde ein Tierversuch durchgeführt, in dem das DNA-schädigende Potenzial von OTA in Leber und Niere von Ratten, die über vier Wochen mit OTA behandelt worden waren, untersucht wurde. Die mit dem Comet-Assay in den Organen dieser Tiere gefundenen oxidativen DNA-Schäden, die grundsätzlich als prämutagenes Ereignis angesehen werden können, geben also möglicherweise einen ersten mechanistischen Hinweis auf die nierenkanzerogene Wirkung von OTA. Untermauert wird dies durch die beobachtete Abnahme des GSH-Gehaltes, die evtl. auf eine Depletion durch LPO-Produkte zurückzuführen ist. Nach 24stündiger Inkubation wurde eine Erhöhung des GSH-Gehaltes in den inkubierten CV-1-Zellen gemessen, die mit einer GSH-Neusynthese als Gegenreaktion zum oxidativen Stress begründet werden kann. Die in vitro Untersuchungen zeigen, dass die Konzentrationen, die in den Zellen oxidative DNA-Schäden verursachen, etwas niedriger sind (Faktor 5), als die Konzentrationen, die zytotoxische Effekte induzieren. Es kann also nicht ausgeschlossen werden, dass OTA über die Bildung oxidativer DNA-Schäden auch initiierendes Potenzial besitzt. In diesem Zusammenhang wäre zu klären, ob die in der Literatur beschriebene Proteinbiosynthesehemmung sich auf die antioxidative Abwehr in Zellen und Organismen auswirkt, so dass induzierte oxidative DNA-Schäden möglicherweise nicht mehr ausreichend repariert werden können und es so zur Tumorentstehung in vivo kommt.
Die obligat endocytisch in Paramecium lebenden bakteriellen Symbionten der Gattung Caedibacter können bislang weder außerhalb ihrer Wirtszellen kultiviert noch genetisch transformiert werden. Entsprechend limitiert sind unsere Möglichkeiten der Erforschung oder gar Nutzung dieser Bakterien. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur Isolierung der Endosymbionten aus Paramecien etabliert und Strategien zur genetischen Transformation von Paramecium-Endosymbionten getestet. Es zeigte sich, dass eine Transformation außerhalb der Wirtszellen nicht möglich ist, da die Bakterien nicht in vitro selektiert werden können und eine Reinfektion der Symbionten entsprechender aposymbiontischer Wirtszellen auf dem vermuteten Infektionsweg scheiterte. Die Transformation der Endosymbionten sollte daher direkt in den Paramecien erfolgen. Es wurden Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe die Transformation der Endosymbionten mittels Elektroporation bzw. Partikelbombardement innerhalb der Wirtszellen getestet wurde. Die zu diesen Versuchen eingesetzten Plasmide verfügten über verschiedene Replika mit nachweislich weitem Wirtsspektrum. Als Markergene dienten zum einen ein Streptomycinresistenz-Gen und zum anderen zwei Varianten des Green Fluorescent Protein. Es zeigte sich, dass die Transformation von Caedibacter derzeit noch nicht möglich ist. Weiterhin wurde untersucht, ob der Promotor des RebC-Locus aus Caedibacter für eine Kontrolle einer heterologen Genexpression unter natürlichen Bedingungen in Frage kommt. Durch Studien mit Hilfe von Promotorsonden-Vektoren, in die die entsprechende Sequenz vor ein GFP-Gen kloniert wurde, konnte in E. coli gemessen werden, inwieweit unterschiedliche physiologische Stressbedingungen zu einer Aktivierung des RebC-Promotors führen. Die Promotorstudien erfolgten nach zwei unterschiedlichen Verfahren. Unter den getesteten Stressfaktoren bewirkten Hunger und Hitzeschock die stärkste Aktivierung des untersuchten Promotors. Die erhaltenen Ergebnisse liefern einen Hinweis darauf, dass die R-Körpersynthese in Caedibacter in der Natur unter Mangel- bzw. Stressbedingungen erfolgt.
Mineralische Dichtungen werden in Kombination mit Kunststoffdichtungsbahnen als Deponieabdichtungen verwendet, um eine umweltverträgliche Ablagerung der Abfälle sicherzustellen. Diese Abdichtungsfunktion kann durch Austrocknung beeinträchtigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zur Entstehung von Austrocknungsrissen in mineralischen Deponiebasisabdichtungen durchgeführt. Diese Untersuchungen befassen sich einerseits mit dem Wassertransport in der mineralischen Dichtung und andererseits mit dem Zugverhalten des Bodens. Daraus wird ein Risskriterium entwickelt, das zusammen mit den Ergebnissen der numerischen Berechnungen für die Vorhersage der Rissentstehung infolge Austrocknung einer mineralischen Dichtung verwendet wird. Einer der ersten Untersuchungsschritte ist die experimentelle Ermittlung der pF-Kurve. Danach folgen experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Transportkenngrößen. Der Einfluss einer Änderung der Porenzahl von \Delta e \approx 0.1, einer Temperatur von T=40°C sowie der Änderung des Einbauwassergehaltes auf die Transportkenngrößen wird untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen zum Schrumpf- und Zugverhalten werden eigene, neu entwickelte Versuchsstände verwendet. In den Versuchen zum Schrumpfverhalten ergibt sich ein Zusammenhang zwischen den Schrumpfdehnungen der Bodenproben und deren Sättigungsgraden. In den Versuchen zum Zugverhalten werden die Zugeigenschaften des verwendeten bindigen Bodens untersucht. Einflussgrößen sind dabei der Wassergehalt, die Porenzahl, die Temperatur und der Spannungszustand. In den numerischen Berechnungen wird zuerst ein Versuch zur Ermittlung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit simuliert. Die numerischen Ergebnisse werden mit den Versuchsergebnissen verglichen, um die Güte der verwendeten hydraulischen Beziehungen zu überprüfen. Danach wird beispielhaft eine numerische Berechnung für die Lösung eines Randwertproblems durchgeführt, in der die Rissentstehung infolge Verdunstung in einer mineralischen Dichtung vorausgesagt wird. Aus den berechneten Beispielen wird ersichtlich, dass die Voraussage der infolge Austrocknung entstehenden Risse numerisch möglich ist und die Risstiefen berechenbar sind.
Streptococcus pneumoniae ist ein human-pathogenes Bakterium, das den Nasopharnyx gesunder Menschen besiedeln kann. Das Bakterium kann sich lokal ausbreiten und zu schweren invasiven Erkrankungen führen, wie der Pneumonie, der Meningitis und der Sepsis. Zahlreiche, vor allem oberflächenlokalisierte Proteine ermöglichen die Kolonisierung und Invasion der Pneumokokken. Von Zysk et al. (2000) wurden über ein Genbankscreening neue Proteine von S. pneumoniae gefunden. Eines davon ist die Serinprotease PrtA, die 2001 von Bethe näher untersucht wurde. PrtA ist eine in der Zellwand der Pneumokokken verankerte Protease, die als Prä-Pro-Protein synthetisiert wird. Im Mausmodell zeigte sich die Virulenz der Protease. Aufgrund der immunogenen Eigenschaften wird PrtA als potentieller Vakzine-Kandidat beschrieben. In der vorliegenden Arbeit sollte die Serinprotease PrtA nativ aufgereinigt und Untersuchungen zur biologischen Funktion durchgeführt werden. Über eine durch ortsspezifische Mutagenese hergestellte Mutante konnte die Protease nativ aus dem Kulturüberstand als ein HisTag-Fusionsprotein aufgereinigt werden. Neben den zwei angenommenen Hauptformen von PrtA mit Molekulargewichten von 240 kDa und 215 kDa konnten weitere Formen des PrtA durch Westernblot-Analysen identifiziert werden. Mehrere PrtA-Fragmente sowie die Identifizierung mehrerer Proteinspots bei einer zweidimensionalen Auftrennung des aufgereinigten PrtA, legen den Schluss nahe, dass es sich bei der Protease um ein instabiles Protein handelt. Diese Autoprozessierung zeigte sich als konzentrationsabhängig. Die genauen Prozessierungsstellen konnten noch nicht geklärt werden. Die Expression der Protease unterliegt einer Regulation. Sowohl auf transkriptionaler wie auf translationaler Ebene zeigte sich eine Beeinflussung der Expression von PrtA durch atmosphärische Bedingungen, sowie durch Glukose. Eine Beteiligung von PrtA am Abbau der in der Arbeit erwähnten Substrate konnte mit den verwendeten Methoden nicht gezeigt werden. Bindungsversuche von Pneumokokken an Bestandteile der extrazellulären Matrix, wie Fibronektin, Kollagen I, III und IV, ließen keine Beteiligung des PrtA an der Bindung an die jeweiligen Proteine erkennen. Einen Hinweis auf die Modifikation eines bakterieneigenen Proteins durch PrtA, ergaben zweidimensionale Untersuchungen des Protein-Expressionsprofils. Das modifizierte Protein konnte bislang noch nicht analysiert werden. Die Identifizierung dieses Proteins würde neue Einblicke in den Aufgabenbereich der Protease liefern.
L1 ist ein neuronales Adhäsionsmolekül, das neben Zellen des Nervensystems auf vielen humanen Tumorlinien exprimiert wird. Zusätzlich zu seiner Funktion als Oberflächenmolekül wird L1 durch membranproximale Spaltung in eine lösliche Form überführt, die funktionell aktiv ist. Bei diesem Prozess ist die Metalloproteinase ADAM10 beteiligt. In Tumoren der Ovarien und des Uterus ist die Expression von L1 mit einem fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung assoziiert. Das L1-Spaltfragment kann in Tumorlysaten detektiert werden, außerdem korreliert die Anwesenheit von ADAM10 im Tumorgewebe mit löslichem L1 im Serum der Patientinnen. L1 und ADAM10 sind teilweise mit Lipid Rafts assoziiert und kolokalisieren darüber hinaus im Golgi/TGN. Die Aktivierung der Proteinkinase C durch PMA erhöht die L1-Spaltung an der Plasmamembran, während der Entzug von Cholesterin mittels MCD die Spaltung innerhalb der Zelle verstärkt. Zudem führt die Senkung des zellulären Cholesteringehalts zur Freisetzung von Membranvesikeln, die sowohl L1 als auch ADAM10 enthalten. Die ADAM10-vermittelte Spaltung von L1 hält in isolierten Vesikeln an und generiert lösliches L1, welches die Migration von Tumorzellen verstärkt. In Ovarialkarzinomzellen wird die Abspaltung von L1 ebenfalls durch eine Metalloproteinase vermittelt, findet aber kaum an der Oberfläche statt. Durch Überexpression von L1, ADAM10 sowie einer katalytisch-inaktiven Form (ADAM10-DN) kann ein Zusammenhang zwischen ADAM10, der Abgabe von löslichem L1 und dem Migrationsverhalten von Karzinomzellen in vitro belegt werden. Ovarialkarzinomlinien setzen zudem konstitutiv hohe Mengen an Vesikeln frei, die proteolytisch aktiv sind und ebenfalls ADAM10 und L1 enthalten. In Asziten von Tumorpatientinnen kann sowohl vesikuläres als auch lösliches L1 nachgewiesen werden. Die funktionelle Bedeutung der ADAM10-vermittelten Spaltung von L1 für das Migrationsverhalten von Ovarialkarzinomzellen wird in Hinblick auf Tumorprogression sowie mögliche neue Therapieansätze diskutiert.
Der `aryl hydrocarbon´-Rezeptor (AhR) ist ein Ligand aktivierter Transkriptionsfaktor, der durch Bindung an spezifische DNA-Elemente (`xenobiotic responsive elements´ (XREs)) Einfluss auf die Expression einer Vielzahl von Genen u.a. Cytochrom P450 (CYP) 1A hat. Liganden des AhR sind unter anderem aromatische halogenierte Kohlenwasserstoffe (z.B: 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD)), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Pharmazeutika. Natürliche Liganden wie Indolderivate sind ebenfalls bekannte AhR-Liganden. In dieser Arbeit sollte im ersten Teil geklärt werden, inwieweit die in pflanzlichen Lebensmitteln vorkommende Furocumarine Angelicin, Bergamottin, Isopimpinellin und 8-Methoxypsoralen (8-MOP) den AhR-Signaltransduktionsweg und das CYP1A Enzym in Abhänigkeit von den Lichtverhältnissen beeinflussen. Hierbei zeigen alle untersuchten Furocumarine einen Licht- und konzentrationsabhängigen inhibitorischen Effekt auf die CYP1A-vermittelte EROD-Aktivität sowohl in mit TCDD koinkubierten Rattenhepatozyten in Primarkultur als auch in Mikrosomen aus mit TCDD inkubierten primären Rattenhepatozyten, die mit dem Furocumarin präinkubiert wurden. Bergamottin ist der potenteste Inhibitor mit einem IC50-Wert von 0,01 µM in Mikrosomen bei Licht. Angelicin, Isopimpinellin und 8-MOP sind unter Lichtausschluss im XRE-gesteuerten Reportergen-Assay in der Lage, den AhR zu aktivieren. Western Blot Analysen zeigen eine Induktion der CYP1A1 Proteinexpression unter den gleichen Bedingungen. Bergamottin ist in keinem untersuchten System in der Lage, den AhR zu aktivieren, steigert aber die CYP1A1 Proteinexpression, was für einen unterschiedlichen mechanistischen Verlauf im Vergleich mit den anderen untersuchten Furocumarinen spricht. Die CYP1A1 mRNA korreliert nur teilweise mit diesen Daten, was unter anderem mit der Zeitabhängigkeit der durchgeführten Untersuchungen begründet werden kann. Die hier verwendeten Substanzen sind somit unter Lichtausschluss `Suizid´Inaktivatoren des CYP1A1, indem sie ihren eigenen Metabolimus durch Aktivierung des AhR-Signalweges katalysieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Tryptophan-Metabolite durch Fermentation von Rattenfeces mit Tryptophan generiert und die Methodik zur Anreicherung und Charakterisierung optimiert. Trotz der Optimierung der einzelnen Verfahrensschritte konnte aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Menge und der starken Matrix-bedingten Verunreinigungen der EROD-aktiven Substanzen keine Charakterisierung vorgenommen werden. Die optimierte HPLC-Analyse ermöglicht die Abtrennung anteilsmäßig großer Verunreinigungen. Außerdem kann durch die hier entwickelte Selektion von Bakterienkulturen aus Rattenfeces auf den Einsatz frischer Feces verzichtet werden. Des Weiteren lässt sich die Ausbeute an dem gewünschten Produkten erhöhen, indem Kulturen eingesetzt werden, die zu einer Steigerung an gebildeten EROD-aktiven Verbindungen führte, was eine Charakterisierung vereinfachen könnte.
Untersuchung des Stoffübergangs bei der Trennung von Kobalt und Nickel durch Reaktivextraktion
(2004)
Die Trennung von Kobalt und Nickel in reine Komponenten ist schwierig auf Grund ihres ähnlichen physiko-chemischen Verhaltens. Die Reaktivextraktion bietet hierfür eine geeignete Prozessvariante. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Stoffübergang bei der Trennung von Kobalt und Nickel aus wässrigen Lösungen mit Hilfe der Reaktivextraktion untersucht. Die bei der Auslegung von Extraktoren wichtigen Kinetikdaten wurden in gängigen Standardapparaturen ermittelt. Neben den Gleichgewichten ? dem treibenden thermodynamischen Gefälle für den Stofftransport ? wurden in Tropfensäulen und Rührzellen kinetische Parameter ermittelt. Die Modellierung der experimentell ermittelten Gleichgewichtsdaten basiert auf einem thermodynamischen Modell, welches den Pitzer Ansatz, für Elektrolytlösungen, und den Ansatz von Hildebrand-Scott für organische Phasen berücksichtigt. Diese Modelle geben die Gleichgewichtsdaten zufriedenstellend wieder. Das Extraktionsverhalten wurde bis zu technisch relevanten Konzentrationen untersucht, der Maximalbeladung des organischen Ionentauschers. Auf Grund dieser eingesetzten Konzentrationen und der damit einhergehenden Vorkontaktierung des Ionentauschers mit Lauge, um einen pH-Wert Abfall bei der Extraktion abzupuffern, kam es zu Stabilitäts-phänomenen, die die Verwendung der Standardapparaturen nur eingeschränkt zulassen. Der Ionentauscher verhält sich bei hohen Vorkontaktierungsstärken als Tensid, bildet unterschiedliche Mizellformen in wässrigen und organischen Phasen, und zeigt einen Phasenzerfall, wie es von Winsor-Systemen bekannt ist. Daher wurde das Phasenverhalten in Abhängigkeit der Tensidkonzentration untersucht, es wurden vier Gebiete identifiziert, in denen das Stoffsystem 1 bis 4 phasig vorliegt. Eine Screening Apparatur wurde entworfen, mit der, bei technisch relevanten Vorkontaktierungen, unabhängig vom Phasenverhalten kinetische Aufschlüsse des Systems gewonnen werden können. Die Kontaktzeit zum Erreichen von 80 % des Gleichgewichtswertes schwankt je nach Konzentration von 20-60 s für Kobalt und Nickel. Über eine Einstellung der Verweilzeit ist es nicht möglich, eine zusätzliche Selektivität über das Gleichgewicht hinaus einzustellen, da bei niedrigen Kontaktzeiten ein Überschwingen der Nickelkonzentration über den Gleichgewichtswert hinaus in der organischen Phase auf Grund von Mizellbildung zu beobachten ist. Für die Kolonnenauslegung eines Reaktivextraktionsprozesses mit Phosphinsäuren ist der auftretende Phasenzerfall bei hohen Vorkontaktierungen unbedingt zu berücksichtigen, um Ablagerungen von Ionentauschersalz an Kolonneneinbauten zu vermeiden.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Konzepte zur Unterstützung von datenbankorientierten Software-Produktlinien durch domänenspezifische Sprachen am Beispiel von Versionierungssystemen untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, die zeitlichen Kosten, die durch die Nutzung einer domänenspezifischen Sprache entstehen, zu bestimmen. Dabei werden unterschiedliche Datenbankschemata verwendet, um zu untersuchen, welcher Zusammenhang zwischen der Komplexität des Datenbankschemas und der Übersetzung einer domänenspezifischen Anweisung in eine Reihe von herkömmlichen SQL-Anweisungen besteht. Um die zeitlichen Kosten für die Reduktion zu bestimmen, werden Leistungsuntersuchungen durchgeführt. Grundlage für diese Leistungsuntersuchungen sind domänenspezifische Anweisungen, die von einem speziell für diesen Zweck entwickelten Generator erzeugt wurden. Diese generierten domänenspezifischen Anweisungen werden mit den unterschiedlichen Datenbanktreibern auf dem passenden Datenbankschema ausgeführt.
Universal Algebra
(2004)
Es wurde ein fahrzeugtaugliches SCR-Gesamtsystem auf der Basis von trockenem Harnstoff dargestellt, bei dem die Reduktionsmittelaufbereitung in einem elektrisch beheizten Reaktor erfolgt. Trockener Harnstoff bietet gegenüber der wässrigen Harnstofflösung eine Gewichtsersparnis von 67,5% und eine uneingeschränkte Wintertauglichkeit. Im externen Reaktor wird der Harnstoff unter stets optimalen Reaktionsbedingungen zersetzt. Der Harnstoff wird in Form von runden Pellets in einem Größenspektrum von 1,8-2,0 mm eingesetzt. Die Dosierung erfolgt durch Vereinzeln der Pellets mit einem Zellenraddosierer. Der Harnstoffmengenstrom wird durch Veränderung der Pausenzeit zwischen zwei Einzelportionen angepasst. Mit dem Dosiersystem ist die Reduktionsmittelversorgung im gesamten Motorkennfeld gewährleistet. Der Transport der Pellets vom Dosierer zum Reaktor erfolgt sequenziell durch eine Leitung nach dem Blasrohrprinzip mittels Druckluft. Die Druckluft wird durch einen Kompressor bereitgestellt. Das Förderprinzip ermöglicht einen Pellettransport über mehrere Meter, wobei Krümmungsradien bis 40 mm und vertikale Förderung entgegen der Schwerkraft unproblematisch sind. Der Reaktor besteht aus einer Thermolysekammer mit elektrisch auf 400°C beheizten Wänden und einem nachgeschalteten Hydrolysekatalysator. Die Harnstoffpellets werden in die Kammer eingebracht und thermisch zersetzt. Das für die Hydrolyse benötigte Wasser wird durch einen Abgasteilstrom bereitgestellt, der in die Thermolysekammer eingekoppelt und dort ebenfalls aufgeheizt wird. Die Zersetzungsprodukte Ammoniak und Kohlendioxid werden in den Abgashauptstrom eingebracht. Mit dem Gesamtsystem werden unter optimalen Randbedingungen NOx-Konvertierungsraten über 99% erreicht. Die NOx - und NH3-Bilanz zeigt allerdings, dass der Reduktionsmittelnutzungsgrad lediglich bei etwa 85% liegt. Im Hydrolysekatalysator wird ein Anteil des Ammoniaks oxidiert. Ein weiterer Teil wird durch Nebenreaktionen am SCR-Katalysator verbraucht. Das Verhalten des SCR-Katalysators unter dynamischen Betriebsbedingungen wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells diskutiert. Das NH3-Adsorptionsvermögen des SCR-Katalysators nimmt mit steigender Temperatur stark ab. Gleichzeitig wird bei niedrigen Temperaturen bis etwa 250°C ein vergleichsweise hohes NH3-Beladungsniveau benötigt, um maximale NOx-Konvertierung zu erzielen. Bei höheren Temperaturen verläuft die SCR-Reaktion hingegen spontan in einer kurzen Reaktionszone am Katalysatoreintritt. Bei einem Wechsel des Motorbetriebspunktes von niedriger auf hohe Last steigt die Katalysatortemperatur schnell an. Das Adsorptionsvermögen des Katalysators nimmt ab. Wenn die eingespeicherte Reduktionsmittelmenge nicht in der SCR-Reaktion verbraucht wird, kommt es zu NH3-Schlupf. Bei niedrigeren Temperaturen muss daher die NH3-Beladung begrenzt werden. Dies hat allerdings eine verminderte NOx-Konvertierung zur Folge. Der Einfluss verschiedener Parameter auf den NOx-Umsatz und den Reduktionsmittelverbrauch wurde anhand des MVEG-Zyklus diskutiert. Durch kurzzeitige Hochdosierung und anschließende Anpassung der Reduktionsmittelmenge an den momentanen Umsatz wird die beste Ausnutzung des eingebrachten Reduktionsmittels erzielt. Ein optimierter NO2-Anteil bewirkt insbesondere in der Startphase eine höhere NOx-Konvertierungsrate. Ein größerer SCR-Katalysator vermindert die NH3-Schlupfgefahr. Die Reduktionsmittelausnutzung nimmt jedoch ab, so dass ein größerer Reduktionsmittelanteil im Katalysator verbleibt. Durch motornahe Positionierung erfährt der SCR-Katalysator ein höheres Temperaturkollektiv. Der NOx-Umsatz steigt dadurch deutlich. Gleichzeitig ist die im Katalysator verbleibende Reduktionsmittelmenge geringer. Dies erlaubt eine einfache Dosierstrategie, bei der sich die Reduktionsmitteldosierung an der momentanen Stickoxidkonvertierung orientiert. Für das Gesamtsystem wurde eine Betriebsstrategie erarbeitet, die gezielt auf die funktionalen Grenzen der Systemkomponenten abgestimmt ist. Die zugrunde liegende Emissionsminderungsstrategie sieht eine konstante fahrstreckenbezogene NOx-Minderung in allen Betriebszuständen vor. Hierdurch ist es möglich, sowohl alle für die Zertifizierung erforderlichen Abgasgrenzwerte zu unterschreiten, als auch eine deutliche Emissionsminderung außerhalb der prüfrelevanten Fahrzyklen zu erzielen. Gleichzeitig kann für eine definierte Fahrstrecke die mitzuführende Reduktionsmittelmenge genau vorhergesagt werden. Das Gesamtsystem wurde in einem EURO III-Versuchsfahrzeug auf dem Rollenprüfstand sowie im Straßenverkehr betrieben. Im Rahmen der bisherigen Tests konnte die Systemfunktion nachgewiesen werden. Im MVEG-Zyklus wird der EURO IV-NOx-Grenzwert mit vorkonditioniertem SCR-Katalysator knapp unterschritten. Durch eine gezielte Abstimmung des Motors auf die Erfordernisse des Abgasnachbehandlungssystems und eine Optimierung des NO2-Anteils ist eine weitere Absenkung des Emissionsniveaus möglich.
Bei den "traditionellen" Reduktionsmittelaufbereitungssystemen, die die Abgaswärme zur Zersetzung des Harnstoffs ausnutzen, wird der Harnstoff entweder in Form einer wässrigen Lösung oder in Pulverform direkt vor dem SCR-Katalysator in das Abgassystem eingebracht. Der zudosierte Harnstoff wird im Abgas in zwei Reaktionsschritten (Thermolyse, Hydrolyse) thermisch zersetzt, wobei die Abgastemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Harnstoffzersetzungskinetik besitzt. Bei der Thermolyse entstehen aus dem Harnstoff die Produkte Ammoniak und Isocyansäure, wobei die Isocyansäure mit Wasser bei der Hydrolyse zu Ammoniak und Kohlendioxid reagiert. Wie Versuchsergebnisse demonstrieren, kann die Gesamtperformance von SCR-Katalysatorsystemen verbessert werden, wenn statt Harnstoff gasförmiges Ammoniak in das Abgassystem eingebracht wird, da so der komplette Harnstoffzersetzungsmechanismus entfällt. Dem in dieser Arbeit untersuchten Verfahren zur thermischen Trockenharnstoffzersetzung lag deshalb die Überlegung zu Grunde, den Harnstoffzersetzungsprozess vom Abgassystem zu entkoppeln und in einem externen elektrisch beheizten Reaktor zu realisieren. Ein solches System besitzt den entscheidenden Vorteil, dass die Zersetzungstemperatur und die Verweilzeit für die Reaktion so eingestellt werden können, dass unabhängig vom aktuellen Motorbetriebspunkt immer eine optimale Harnstoffzersetzung gewährleistet wird. Aus den Bruttoumsatzgleichungen für die beiden Reaktionen geht hervor, dass ohne eine Zufuhr von Wasser in den Reaktor nur die Thermolyse ablaufen kann, d.h. es entsteht ein Gemisch aus Ammoniak und Isocyansäure. Aus diesem Grund wird Wasser, das aus dem Verbrennungsprozess des Motors stammt, mit Hilfe eines Abgasteilstroms in den Reaktor eingeleitet. Eine Abschätzung zeigt, dass zu diesem Zweck ein Teilstrom in der Größenordnung von 1 % erforderlich ist. Da die Geschwindigkeit der Hydrolysereaktion in der Gasphase sehr gering ist, wurde der elektrisch beheizten Thermolysezone ein Hydrolysekatalysator nachgeschaltet. Die selektive Reaktion der Isocyansäure zu den Produktstoffen Ammoniak und Kohlendioxid ist für die Funktion des Harnstoffaufbereitungssystems von entscheidender Bedeutung, da ansonsten aus der sehr reaktiven Isocyansäure Polymerisationsprodukte gebildet werden, die zu festen Ablagerungen im System führen. Darüber hinaus hat sich im Rahmen des Entwicklungsprozesses gezeigt, dass die Thermolysezone so gestaltet sein muss, dass der Harnstoff in keinem Fall mit unbeheizten Flächen in Berührung kommen kann. Auf der Grundlage der Ergebnisse von thermogravimetrischen Versuchen wurde eine Heizflächentemperatur von 400 °C gewählt. Bei diesem System entstehen dann idealerweise ausschließlich die Produkte Ammoniak und Kohlendioxid, die mit Hilfe des Abgasteilstroms, der unter anderem auch als Trägergasstrom fungiert, in das Abgassystem eingeleitet werden. Von daher ist es mit einem System vergleichbar, bei dem gasförmiges Ammoniak dosiert wird. Der Harnstoff wird dem Reaktor in Form von Pellets in einem Größenspektrum von 1,8-2 mm zugeführt. Die Dosierung der Pellets erfolgt mit Hilfe eines Zellenraddosierers. Der Transport vom Dosierer zum Reaktor wird mittels Förderluft durch eine Leitung realisiert. Trockener Harnstoff bietet bezüglich der Masse und des Volumens Vorteile gegenüber der wässrigen Harnstofflösung. Darüber hinaus ist eine uneingeschränkte Wintertauglichkeit gewährleistet. Die Betriebsbereitschaft des Reaktors, die durch eine Heizflächentemperatur von 400 °C und eine Temperatur vor dem Hydrolysekatalysator oberhalb von 200 °C gekennzeichnet ist, wird nach 60-80 s erzielt. Im MVEG-Test liegt die mittlere gemessene Heizleistung im Bereich von 180 W. Anhand einer NOx-Umsatz- und NH3-Bilanz konnte gezeigt werden, dass der Harnstoff im Reaktor in die gewünschten Produkte NH3 und CO2 überführt wird. Mit dem Gesamtsystem werden sowohl bei kleinen als auch bei großen Dosiermengen gute Konvertierungsergebnisse erzielt. Unter optimalen Randbedingungen sind im Bereich der NH3-Schlupfgrenze NOx-Umsätze >95 % realisierbar. Insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen werden die Vorteile gegenüber der "klassischen" Flüssigdosierung deutlich. Die Betriebssicherheit des Gesamtsystems konnte durch einen 100 h-Dauertest nachgewiesen werden. Das Gesamtsystem wurde an einem Versuchsfahrzeug (Audi A8) appliziert. Im Rahmen des bisherigen Testprogramms konnte die Systemfunktion nachgewiesen werden. Der EURO IV Grenzwert wird erreicht. Zur Aktivitätssteigerung müssen vor allem die Abgastemperatur angehoben und der NO2-Verlauf im Zyklus optimiert werden. Zusätzlich muss die Dosierstrategie so optimiert werden, dass am Umsatz und Schlupfrisiko orientiert immer ein optimaler NH3-Füllstand im Katalysator vorliegt.
A general framework for the thermodynamics of open systems is developed in the spatial and the material setting. Special emphasis is placed on the balance of mass which is enhanced by additional source and flux terms. Different solution strategies within the finite element technique are derived and compared. A number of numerical examples illustrates the features of the proposed approach.
Zentrales Ziel dieser Arbeit ist die genaue theoretische Charakterisierung des Autoionisationsprozesses in Stößen metastabiler Argon-Atome mit Quecksilber- und Wasserstoff-Atomen, Ar*(4s 3P2,3P0) + Hg und Ar*(4s 3P2,3P0) + H(1s). Diese Untersuchungen wurden durch neue, in der Arbeitsgruppe von Prof. H. Hotop unter Verwendung zustandsselektierter Ar*-Atome durchgeführte elektronenspektrometrische Experimente an diesen Stoßsystemen motiviert. Zur Überprüfung der quantenchemischen Beschreibung des Quecksilber-Atoms und seiner van der Waals-Wechselwirkung wurden im Rahmen dieser Arbeit außerdem die Grundzustandspotentiale der Alkali-Quecksilber-Moleküle LiHg, NaHg und KHg im Detail untersucht. Dabei konnten die in der Literatur zu findenden Widersprüche zwischen den aus Rechnungen und verschiedenen Experimenten bestimmten Potentialen aufgeklärt werden, und es wurden verbesserte Wechselwirkungspotentiale erhalten, welche mit allen verfügbaren experimentellen Daten kompatibel sind.
Compared to our current knowledge of neuronal excitation, little is known about the development and maturation of inhibitory circuits. Recent studies show that inhibitory circuits develop and mature in a similar way like excitatory circuit. One such similarity is the development through excitation, irrespective of its inhibitory nature. Here in this current study, I used the inhibitory projection between the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB) and the lateral superior olive (LSO) as a model system to unravel some aspects of the development of inhibitory synapses. In LSO neurons of the rat auditory brainstem, glycine receptor-mediated responses change from depolarizing to hyperpolarizing during the first two postnatal weeks (Kandler and Friauf 1995, J. Neurosci. 15:6890-6904). The depolarizing effect of glycine is due to a high intracellular chloride concentration ([Cl-]i), which induces a reversal potential of glycine (EGly) more positive than the resting membrane potential (Vrest). In older LSO neurons, the hyperpolarizing effect is due to a low [Cl-]i (Ehrlich et al., 1999, J. Physiol. 520:121-137). Aim of the present study was to elucidate the molecular mechanism behind Clhomeostasis in LSO neurons which determines polarity of glycine response. To do so, the role and developmental expression of Cl-cotransporters, such as NKCC1 and KCC2 were investigated. Molecular biological and gramicidin perforated patchclamp experiments revealed, the role of KCC2 as an outward Cl-cotransporter in mature LSO neurons (Balakrishnan et al., 2003, J Neurosci. 23:4134-4145). But, NKCC1 does not appear to be involved in accumulating chloride in immature LSO neurons. Further experiments, indicated the role of GABA and glycine transporters (GAT1 and GLYT2) in accumulating Cl- in immature LSO neurons. Finally, the experiments with hypothyroid animals suggest the possible role of thyroid hormone in the maturation of inhibitory synapse. Altogether, this thesis addressed the molecular mechanism underlying the Cl- regulation in LSO neurons and deciphered it to some extent.
The fact that long fibre reinforced thermoplastic composites (LFT) have higher tensile
strength, modulus and even toughness, compared to short fibre reinforced
thermoplastics with the same fibre loading has been well documented in literature.
These are the underlying factors that have made LFT materials one of the most
rapidly growing sectors of plastics industry. New developments in manufacturing of
LFT composites have led to improvements in mechanical properties and price
reduction, which has made these materials an attractive choice as a replacement for
metals in automobile parts and other similar applications. However, there are still
several open scientific questions concerning the material selection leading to the
optimal property combinations. The present work is an attempt to clarify some of
these questions. The target was to develop tools that can be used to modify, or to
“tailor”, the properties of LFT composite materials, according to the requirements of
automobile and other applications.
The present study consisted of three separate case studies, focusing on the current
scientific issues on LFT material systems. The first part of this work was focused on
LGF reinforced thermoplastic styrenic resins. The target was to find suitable maleic
acid anhydride (MAH) based coupling agents in order to improve the fibre-matrix
interfacial strength, and, in this way, to develop an LGF concentrate suitable for
thermoplastic styrenic resins. It was shown that the mechanical properties of LGF
reinforced “styrenics” were considerably improved when a small amount of MAH
functionalised polymer was added to the matrix. This could be explained by the better fibre-matrix adhesion, revealed by scanning electron microscopy of fracture surfaces.
A novel LGF concentrate concept showed that one particular base material can be
used to produce parts with different mechanical and thermal properties by diluting the
fibre content with different types of thermoplastic styrenic resins. Therefore, this
concept allows a flexible production of parts, and it can be used in the manufacturing
of interior parts for automobile components.The second material system dealt with so called hybrid composites, consisting of
long glass fibre reinforced polypropylene (LGF-PP) and mineral fillers like calcium
carbonate and talcum. The aim was to get more information about the fracture
behaviour of such hybrid composites under tensile and impact loading, and to
observe the influence of the fillers on properties. It was found that, in general, the
addition of fillers in LGF-PP, increased stiffness but the strength and fracture
toughness were decreased. However, calcium carbonate and talcum fillers resulted
in different mechanical properties, when added to LGF-PP: better mechanical
properties were achieved by using talcum, compared to calcium carbonate. This
phenomenon could be explained by the different nucleation effect of these fillers,
which resulted in a different crystalline morphology of polypropylene, and by the
particle orientation during the processing when talc was used. Furthermore, the
acoustic emission study revealed that the fracture mode of LGF-PP changed when
calcium carbonate was added. The characteristic acoustic signals revealed that the
addition of filler led to the fibre debonding at an earlier stage of fracture sequence
when compared to unfilled LGF-PP.
In the third material system, the target was to develop a novel long glass fibre
reinforced composite material based on the blend of polyamide with thermoset
resins. In this study a blend of polyamide-66 (PA66) and phenol formaldehyde resin
(PFR) was used. The chemical structure of the PA66-PFR resin was analysed by
using small molecular weight analogues corresponding to PA66 and PFR
components, as well as by carrying out experiments using the macromolecular
system. Theoretical calculations and experiments showed that there exists a strong
hydrogen bonding between the carboxylic groups of PA66 and the hydroxylic groups
of PFR, exceeding even the strength of amide-water hydrogen bonds. This was
shown to lead to the miscible blends, when PFR was not crosslinked. It was also
found that the morphology of such thermoplastic-thermoset blends can be controlled
by altering ratio of blend components (PA66, PFR and crosslinking agent). In the
next phase, PA66-PFR blends were reinforced by long glass fibres. The studies
showed that the water absorption of the blend samples was considerably decreased,
which was also reflected in higher mechanical properties at equilibrium state.
Wie man aus zahlreichen Untersuchungen und Anwendungsbeispielen entnehmen
kann, besitzen langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) eine bessere Zugfestigkeit,
Biege- und Schlagzähigkeit im Vergleich zu kurzfaserverstärkten Thermoplasten. Die
Vorteile in den mechanischen Eigenschaften haben die LFT zu einem
schnellwachsenden Bereich in der Kunststoffindustrie gemacht. Neue Entwicklungen
in Bereich der Herstellung von LFT haben für zusätzliche Verbesserungen der
mechanischen Eigenschaften sowie eine Preisreduzierung der Materialien in den
vergangenen Jahren gesorgt, was die LFT zu einer attraktiven Wahl u.a. als Ersatz
von Metallen in Automobilteilen macht. Es stellen sich allerdings immer noch einige
offene wissenschaftliche Fragen in Bezug auf z.B. die Materialbeschaffenheit, um
optimale Eigenschaftskombinationen zu erreichen. Die vorliegende Arbeit versucht,
einige dieser Fragen zu beantworten. Ziel war es, Vorgehensweisen zu entwickeln,
mit denen man die Eigenschaften von LFT gezielt beeinflussen und so den
Anforderungen von Automobilen oder anderen Anwendungen anpassen oder
„maßschneidern“ kann.
Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen, welche sich auf unterschiedliche
Materialsysteme, angepasst an den aktuellen Bedarf und das Interesse der Industrie,
konzentrieren.
Der erste Teil der Arbeit richtet sich auf die Eigenschaftsoptimierung von
langglasfaserverstärkten (LGF) thermoplastischen Styrolcopolymeren und von
Blends aus diesen Materialien. Es wurden passende, auf Maleinsäureanhydride
(MAH) basierende Kopplungsmittel gefunden, um die Faser-Matrix-Haftung zu
optimieren. Weiterhin wurde ein LGF Konzentrat entwickelt, welches mit
verschiedenen thermoplastischen Styrolcopolymeren kompatibel ist und somit als
„Verstärkungsadditiv“ eingesetzt werden kann.Das Konzept für ein neues LGF-Konzentrat auf Basis des kompatiblen
Materialsystems konzentriert sich insbesondere darauf, dass ein Basismaterial für
die Herstellung von Bauteilen bereit gestellt werden kann, mit dessen Hilfe gezielt
verschiedene mechanische und thermomechanischen Eigenschaften durch das
Zumischen von verschiedenen Styrolcopoylmeren und Blends verbessert werden
können. Dieses Konzept ermöglicht eine sehr flexible Produktion von Bauteilen und
wird seine Anwendung bei der Herstellung von Bauteilen u.a. im Interieur von Autos
finden.
Das zweite Materialsystem basiert auf sogenannten hybriden Verbundwerkstoffen,
welche aus Langglasfasern und mineralischen Füllstoffen wie Kalziumkarbonat und
Talkum in einer Polypropylen (PP) - Matrix zusammengesetzt sind. Ziel war es, durch
detaillierte bruchmechanische Analysen genaue Informationen über das
Bruchverhalten dieser hybriden Verbundwerkstoffe bei Zug- und Schlagbelastung zu
bekommen, um dann die Unterschiede zwischen den verschiedenen Füllstoffen in
Bezug auf ihre Eigenschaften zu dokumentieren. Es konnte beobachtet werden, dass
bei Zugabe der Füllstoffe zum LGF-PP normalerweise die Steifigkeit weiter
verbessert wurde, jedoch die Festigkeit und Schlagzähigkeit abnahmen. Weiterhin
zeigten die verschiedenen Füllstoffe wie Kalziumkarbonat und Talkum
unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf, wenn sie zusammen mit LGF
Verstärkung eingesetzt wurden: Bei der Zugabe von Talkum wurde u.a. eine deutlich
bessere Schlagzähigkeit als bei der Zugabe von Kalziumkarbonat festgestellt. Dieses
Phänomen konnte durch das unterschiedliche Nukleierungsverhalten des PPs erklärt
werden, welches in einer unterschiedlichen Kristallmorphologie von Polypropylen
resultierte. Weiterhin konnte man durch Messungen der akustischen Emmissionen
während der Zugbelastung eines bruchmechanischen Versuchskörpers aufzeigen,
dass die höhere Bruchzähigkeit von LGF-PP ohne Füllstoffe daraus resultiert, dass
Faser-Pullout schon bei geringeren Kräften vorhanden war.
Superselection rules induced by the interaction with a mass zero Boson field are investigated for a class of exactly soluble Hamiltonian models. The calculations apply as well to discrete as to continuous superselection rules. The initial state (reference state) of the Boson field is either a normal state or a KMS state. The superselection sectors emerge if and only if the Boson field is infrared divergent, i. e. the bare photon number diverges and the ground state of the Boson field disappears in the continuum. The time scale of the decoherence depends on the strength of the infrared contributions of the interaction and on properties of the initial state of the Boson system. These results are first derived for a Hamiltonian with conservation laws. But in the most general case the Hamiltonian includes an additional scattering potential, and the only conserved quantity is the energy of the total system. The superselection sectors remain stable against the perturbation by the scattering processes.
Viele Städte stehen mittelfristig vor gravierenden Veränderungen. Die Liste der aktuellen
Herausforderungen ist lang: "Demographischer Wandel", "Pluralisierung der Lebensstile",
"Beschleunigung und Virtualisierung der Lebenswelten", "Globalisierung und Strukturwandel". Ebenso wie diese Trends tiefgreifende Anpassungen und neue Lösungsstrategien in
Gesellschaft und Wirtschaft erfordern, muss das Stadtgefüge diesen veränderten Rahmenbedingungen
gerecht werden. Die Stadt von gestern ist hinsichtlich der Ansprüche der Wissensgesellschaft
zu überprüfen. Insgesamt ist die Beschäftigung mit und die Reaktion auf eine
Vielzahl komplexer raumwirksamer Entwicklungen geboten.
Die Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole hat zum Ziel, die räumlichen Konsequenzen
aus der Entwicklung einer Stadt zu einem leistungsfähigen Technologiestandort aufzuzeigen
und diese prototypisch in Teilkonzepten umzusetzen. Dazu ist es erforderlich, die
technologischen Entwicklungsansätze und Perspektiven zu erfassen und mit den Raumbezügen sowie den organisatorischen und personellen Teilkomponenten in einer Leitkonzeption
zusammenzuführen. Vor dem Hintergrund des fortschreitenden ökonomischtechnologischen
Wandels geht es vor allem um eine zukunftsfähige Wirtschafts- und Lebensstruktur.
Mit langfristig tragfähigen ökonomischen Strukturen kann es gelingen, dem
bundesweiten Trend zur Schrumpfung und Überalterung der Gesellschaft entgegenzuwirken,
die Bevölkerungsentwicklung am Standort zu stabilisieren sowie eine lebendige Stadt zu erhalten.
Kaiserslautern steht im Zuge des ökonomischen, demographischen, sozialen und technologischen
Wandels vor weitreichenden Umbrüchen und vielfältigen Herausforderungen. Die
Stadt befindet sich schon heute in einem Transformationsprozess: Im Rahmen der allgemeinen
wirtschaftsstrukturellen Veränderungen werden alteingesessene Betriebe im sekundären
Sektor aufgegeben. Damit verbunden ist ein starker Rückgang des Arbeitskräftebedarfs im
verarbeitenden Gewerbe. Einen Tiefpunkt erreichte die Stadt 1997 mit einer Arbeitslosenquote
von 14%.
Hinsichtlich einer möglichst souveränen Bewältigung der neuen Aufgaben sowie möglicherweise
sogar der Erzielung von Wettbewerbsvorteilen ist eine frühzeitige raumbezogene Planung
geboten. Für eine Stadt wie Kaiserslautern, bei der u.a. aufgrund ihrer Lage in einem
strukturschwachen Großraum im Bundesvergleich ein Entwicklungsrückstand zu konstatieren
ist, ergibt sich daraus ein akuter Handlungsbedarf. Die Stadt Kaiserslautern hat dies erkannt
und bereitet sich mit dem Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole auf die vielfältigen Herausforderungen vor.
Die Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole_Kaiserslautern bezieht die zentralen Erkenntnisse
des stadtsoziologischen Ergänzungsgutachtens "Lebensstile und Raumansprüche hochqualifizierter IKT-Beschäftigter" von Jun.-Prof. Dr. Annette Spellerberg (Fachgebiet
Stadtsoziologie) ein. Wesentliche Inhalte dieser Untersuchung betreffen die Raumansprüche
hochqualifizierter Wissensarbeiter und daraus abgeleitete praktische Hinweise für die Standortverbesserung.
Möglich wurde die vorliegende Veröffentlichung erst durch die sehr gute Zusammenarbeit im
Rahmen des interdisziplinären Forschungsvorhabens mit dem Ministerium des Innern und
für Sport, der Wirtschaftsförderungsgesellschaft Kaiserslautern, der Stadt Kaiserslautern und
zahlreichen Personen in Wissenschaft, Politik, Verwaltung und Wirtschaft.
Viele Städte stehen mittelfristig vor gravierenden Veränderungen. Die Liste der aktuellen Herausforderungen ist lang: "Demographischer Wandel", "Pluralisierung der Lebensstile", "Beschleunigung und Virtualisierung der Lebenswelten", "Globalisierung und Strukturwandel". Ebenso wie diese Trends tiefgreifende Anpassungen und neue Lösungsstrategien in Gesellschaft und Wirtschaft erfordern, muss das Stadtgefüge diesen veränderten Rahmenbedingungen gerecht werden. Die Stadt von gestern ist hinsichtlich der Ansprüche der Wissensgesellschaft zu überprüfen. Insgesamt ist die Beschäftigung mit und die Reaktion auf eine Vielzahl komplexer raumwirksamer Entwicklungen geboten.
Die Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole hat zum Ziel, die räumlichen Konsequenzen aus der Entwicklung einer Stadt zu einem leistungsfähigen Technologiestandort aufzuzeigen und diese prototypisch in Teilkonzepten umzusetzen. Dazu ist es erforderlich, die technologischen Entwicklungsansätze und Perspektiven zu erfassen und mit den Raumbezügen sowie den organisatorischen und personellen Teilkomponenten in einer Leitkonzeption zusammenzuführen. Vor dem Hintergrund des fortschreitenden ökonomischtechnologischen
Wandels geht es vor allem um eine zukunftsfähige Wirtschafts- und Lebensstruktur.
Mit langfristig tragfähigen ökonomischen Strukturen kann es gelingen, dem bundesweiten Trend zur Schrumpfung und Überalterung der Gesellschaft entgegenzuwirken, die Bevölkerungsentwicklung am Standort zu stabilisieren sowie eine lebendige Stadt zu erhalten.
Kaiserslautern steht im Zuge des ökonomischen, demographischen, sozialen und technologischen Wandels vor weitreichenden Umbrüchen und vielfältigen Herausforderungen. Die Stadt befindet sich schon heute in einem Transformationsprozess: Im Rahmen der allgemeinen wirtschaftsstrukturellen Veränderungen werden alteingesessene Betriebe im sekundären Sektor aufgegeben. Damit verbunden ist ein starker Rückgang des Arbeitskräftebedarfs im verarbeitenden Gewerbe. Einen Tiefpunkt erreichte die Stadt 1997 mit einer Arbeitslosenquote
von 14%.
Hinsichtlich einer möglichst souveränen Bewältigung der neuen Aufgaben sowie möglicherweise sogar der Erzielung von Wettbewerbsvorteilen ist eine frühzeitige raumbezogene Planung geboten. Für eine Stadt wie Kaiserslautern, bei der u.a. aufgrund ihrer Lage in einem
strukturschwachen Großraum im Bundesvergleich ein Entwicklungsrückstand zu konstatieren ist, ergibt sich daraus ein akuter Handlungsbedarf. Die Stadt Kaiserslautern hat dies erkannt
und bereitet sich mit dem Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole auf die vielfältigen Herausforderungen vor.
Die Stadtentwicklungskonzeption StadtTechnopole_Kaiserslautern bezieht die zentralen Erkenntnisse des stadtsoziologischen Ergänzungsgutachtens "Lebensstile und Raumansprüche hochqualifizierter IKT-Beschäftigter" von Jun.-Prof. Dr. Annette Spellerberg (Fachgebiet
Stadtsoziologie) ein. Wesentliche Inhalte dieser Untersuchung betreffen die Raumansprüche hochqualifizierter Wissensarbeiter und daraus abgeleitete praktische Hinweise für die Standortverbesserung.
Möglich wurde die vorliegende Veröffentlichung erst durch die sehr gute Zusammenarbeit im Rahmen des interdisziplinären Forschungsvorhabens mit dem Ministerium des Innern und
für Sport, der Wirtschaftsförderungsgesellschaft Kaiserslautern, der Stadt Kaiserslautern und zahlreichen Personen in Wissenschaft, Politik, Verwaltung und Wirtschaft.
Im Ausland zu studieren erfordert hohe Anpassungsleistungen kultureller, sozialer und psychischer Art. Viele Untersuchungsbefunde zeigen, dass soziale Unterstützung diesen Anpassungsprozess erleichtern und die Bewältigung psychischer Belastungen mindern kann. In der vorliegenden Studie wurden 96 ausländische und 171 inländische Studierende der Technischen Universität Kaiserslautern danach befragt, welche Art sozialer Unterstützung sie sich wünschen und inwieweit sie die erfahrene Unterstützung als angemessen erachten. Dazu wurden den Teilnehmern in einem Fragebogen drei potentiell belastende Studiensituationen geschildert: der Studienbeginn, Vorbereitung auf Prüfungen und das Erwägen eines Studienfachwechsels oder Studienortwechsels. Für jede dieser drei Situationen beurteilten die Befragten anhand standardisierter Aussagen, (a) welches Bewältigungsverhalten sie in dieser Situation anstrebten, (b) von welchen Personen bzw. Rollenträgern soziale Unterstützung hierfür gewünscht werde und (c) danach, welcher Art diese Unterstützung sein sollte. Die Ergebnisse zeigen, dass die ausländischen Studierenden diese Situationen sehr zielgerichtet und problemorientiert angehen. Sie bevorzugten sach- und studienfachbezogene Unterstützung gegenüber Unterstützung die auf die emotionale Bewältigung kritischer Situationen abzielt oft in stärkerem Maße als inländische Studierende. Dabei wünschen sich die ausländischen Befragten mehr Unterstützung durch Professoren, Assistenten und Fachschaftsangehörige als Hilfe von Freunden, Partnern oder Verwandten. Da ausländischen Studierenden soziale Unterstützung auch durch das Akademischen Auslandsamt zuteil wird, wurde auch erfragt, welche Dienstleistungsangebote des Auslandsamtes den Befragten bekannt sind bzw. welche sie schon einmal in Anspruch genommen haben. Die Ergebnisse erweitern die Grundlage für Entscheidungen über künftige Maßnahmen des Akademischen Auslandsamtes, diese Entscheidungen selbst sind jedoch nicht Bestandteil dieses Untersuchungsberichts.
In this text we survey some large deviation results for diffusion processes. The first chapters present results from the literature such as the Freidlin-Wentzell theorem for diffusions with small noise. We use these results to prove a new large deviation theorem about diffusion processes with strong drift. This is the main result of the thesis. In the later chapters we give another application of large deviation results, namely to determine the exponential decay rate for the Bayes risk when separating two different processes. The final chapter presents techniques which help to experiment with rare events for diffusion processes by means of computer simulations.
The polydispersive nature of the turbulent droplet swarm in agitated liquid-liquid contacting equipment makes its mathematical modelling and the solution methodologies a rather sophisticated process. This polydispersion could be modelled as a population of droplets randomly distributed with respect to some internal properties at a specific location in space using the population balance equation as a mathematical tool. However, the analytical solution of such a mathematical model is hardly to obtain except for particular idealized cases, and hence numerical solutions are resorted to in general. This is due to the inherent nonlinearities in the convective and diffusive terms as well as the appearance of many integrals in the source term. In this work two conservative discretization methodologies for both internal (droplet state) and external (spatial) coordinates are extended and efficiently implemented to solve the population balance equation (PBE) describing the hydrodynamics of liquid-liquid contacting equipment. The internal coordinate conservative discretization techniques of Kumar and Ramkrishna (1996a, b) originally developed for the solution of PBE in simple batch systems are extended to continuous flow systems and validated against analytical solutions as well as published experimental droplet interaction functions and hydrodynamic data. In addition to these methodologies, we presented a conservative discretization approach for droplet breakage in batch and continuous flow systems, where it is found to have identical convergence characteristics when compared to the method of Kumar and Ramkrishna (1996a). Apart from the specific discretization schemes, the numerical solution of droplet population balance equations by discretization is known to suffer from inherent finite domain errors (FDE). Two approaches that minimize the total FDE during the solution of the discrete PBEs using an approximate optimal moving (for batch) and fixed (for continuous systems) grids are introduced (Attarakih, Bart & Faqir, 2003a). As a result, significant improvements are achieved in predicting the number densities, zero and first moments of the population. For spatially distributed populations (such as extraction columns) the resulting system of partial differential equations is spatially discretized in conservative form using a simplified first order upwind scheme as well as first and second order nonoscillatory central differencing schemes (Kurganov & Tadmor, 2000). This spatial discretization avoids the characteristic decomposition of the convective flux based on the approximate Riemann Solvers and the operator splitting technique required by classical upwind schemes (Karlsen et al., 2001). The time variable is discretized using an implicit strongly stable approach that is formulated by careful lagging of the nonlinear parts of the convective and source terms. The present algorithms are tested against analytical solutions of the simplified PBE through many case studies. In all these case studies the discrete models converges successfully to the available analytical solutions and to solutions on relatively fine grids when the analytical solution is not available. This is accomplished by deriving five analytical solutions of the PBE in continuous stirred tank and liquid-liquid extraction column for especial cases of breakage and coalescence functions. As an especial case, these algorithms are implemented via a windows computer code called LLECMOD (Liquid-Liquid Extraction Column Module) to simulate the hydrodynamics of general liquid-liquid extraction columns (LLEC). The user input dialog makes the LLECMOD a user-friendly program that enables the user to select grids, column dimensions, flow rates, velocity models, simulation parameters, dispersed and continuous phases chemical components, and droplet phase space-time solvers. The graphical output within the windows environment adds to the program a distinctive feature and makes it very easy to examine and interpret the results very quickly. Moreover, the dynamic model of the dispersed phase is carefully treated to correctly predict the oscillatory behavior of the LLEC hold up. In this context, a continuous velocity model corresponding to the manipulation of the inlet continuous flow rate through the control of the dispersed phase level is derived to get rid of this behavior.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine Automatisierung von Software-Entwicklungsaktivitäten sowohl Effizienz- als auch Qualitätsgewinne erzielt und komplexe Aktivitäten beherrschbar gemacht werden können. Dazu wird zunächst eine solide Basis für eine modellbasierte Software-Entwicklung geschaffen. Nach der Identifikation der Probleme der bisher üblicherweise eingesetzten Metamodellierung wird eine verbesserte Multiebenenmodellierung vorgeschlagen, welche die explizite Angabe der Instanziierbarkeit (Tiefe und Automatismus der Instanziierung) der Modellelemente erlaubt und damit eine deutliche Vereinfachung und bessere Verständlichkeit der Metamodelle ermöglicht. Zur operationalen Beschreibung von Modelltransformationen im Kontext dieser Multiebenenmodellierung wird sodann die Aktionssprache AL++ konzipiert. Insbesondere durch die Einführung von Sprachelementen für die Handhabung von Relationen und Attributen und die Aufnahme von Reflexionskonstrukten in die Sprache AL++ werden Transformationen kompakt und generisch beschreibbar. Anwendung finden diese Ansätze in der modellbasierten Entwicklung reaktiver Systeme. Dazu wird eine existierende Entwicklungsmethode erweitert, um eine durchgängige Automatisierung realisieren zu können. Die wichtigste Erweiterung ist dabei die modifizierte Automatenmodellierung, bei welcher erweiterte Endliche Automaten durch die Komposition getrennt modellierter Zustandsübergänge spezifiziert werden, was eine eindeutige Verfolgbarkeit zu den Anforderungen erlaubt. Eingesetzt werden obige Techniken für die statische Analyse von Spezifikationen, wobei insbesondere die automatische Detektion von Feature-Interaktionen (also die Feststellung kritischer Wechselwirkungen zwischen Produktmerkmalen) in dieser Form erstmalig für den Bereich der reaktiven Systeme durchgeführt wird. Daneben werden automatisierte dynamische Analysen auf der Basis generierter Prototypen betrachtet. Die Analyseergebnisse können automatisiert für die Modifikation und Neukonstruktion der Prototypen genutzt werden, womit Software-Entwicklungsexperimente vollständig in einem „virtuellen Labor“ durchgeführt werden können. Wichtigstes experimentelles Ergebnis ist, dass eine statische Parametrisierung einer „intelligenten“ Temperaturregelung möglich ist und daher eine Reduktion der notwendigen Produktmerkmale (und damit der Komplexität) erreicht werden kann. In Fallstudien wird am Ende der Arbeit nachgewiesen, dass alleine durch die automatische Erzeugung von Entwicklungsdokumenten und die konsistente Änderung vorhergehender Dokumente durch die in dieser Arbeit implementierten Werkzeuge ein Effizienzgewinn von 54 % erreicht werden kann. Die Erstellung der eingesetzten Werkzeuge hätte sich dabei bereits nach zwei ähnlichen Projekten bezahlt gemacht.
In this paper, we discuss approaches related to the explicit modeling of human beings in software development processes. While in most older simulation models of software development processes, esp. those of the system dynamics type, humans are only represented as a labor pool, more recent models of the discrete-event simulation type require representations of individual humans. In that case, particularities regarding the person become more relevant. These individual effects are either considered as stochastic variations of productivity, or an explanation is sought based on individual characteristics, such as skills for instance. In this paper, we explore such possibilities by recurring to some basic results in psychology, sociology, and labor science. Various specific models for representing human effects in software process simulation are discussed.
The present thesis deals with a novel air interface concept for beyond 3G mobile radio systems. Signals received at a certain reference cell in a cellular system which originate in neighboring cells of the same cellular system are undesired and constitute the intercell interference. Due to intercell interference, the spectrum capacity of cellular systems is limited and therefore the reduction of intercell interference is an important goal in the design of future mobile radio systems. In the present thesis, a novel service area based air interface concept is investigated in which interference is combated by joint detection and joint transmission, providing an increased spectrum capacity as compared to state-of-the-art cellular systems. Various algorithms are studied, with the aid of which intra service area interference can be combated. In the uplink transmission, by optimum joint detection the probability of erroneous decision is minimized. Alternatively, suboptimum joint detection algorithms can be applied offering reduced complexity. By linear receive zero-forcing joint detection interference in a service area is eliminated, while by linear minimum mean square error joint detection a trade-off is performed between interference elimination and noise enhancement. Moreover, iterative joint detection is investigated and it is shown that convergence of the data estimates of iterative joint detection without data estimate refinement towards the data estimates of linear joint detection can be achieved. Iterative joint detection can be further enhanced by the refinement of the data estimates in each iteration. For the downlink transmission, the reciprocity of uplink and downlink channels is used by joint transmission eliminating the need for channel estimation and therefore allowing for simple mobile terminals. A novel algorithm for optimum joint transmission is presented and it is shown how transmit signals can be designed which result in the minimum possible average bit error probability at the mobile terminals. By linear transmit zero-forcing joint transmission interference in the downlink transmission is eliminated, whereas by iterative joint transmission transmit signals are constructed in an iterative manner. In a next step, the performance of joint detection and joint transmission in service area based systems is investigated. It is shown that the price to be paid for the interference suppression in service area based systems is the suboptimum use of the receive energy in the uplink transmission and of the transmit energy in the downlink transmission, with respect to the single user reference system. In the case of receive zero-forcing joint detection in the uplink and transmit zero-forcing joint transmission in the downlink, i.e., in the case of linear unbiased data transmission, it is shown that the same price, quantified by the energy efficiency, has to be paid for interference elimination in both uplink and downlink. Finally it is shown that if the system load is fixed, the number of active mobile terminals in a SA and hence the spectrum capacity can be increased without any significant reduction in the average energy efficiency of the data transmission.
Das Plasmid pKAP298 aus Caedibacter taeniospiralis, einem obligaten Parasiten aus Paramecium tetraurelia, wurde in Gänze sequenziert, analysiert und annotiert, mögliche vom Plasmid kodierte Funktionen wurden charakterisiert. Es konnten Plasmid-Fragmente mit Transkriptions-Aktivität identifiziert werden, eine Transkriptions-Aktivitätskarte bildet die Basis zur weiteren Identifizierung der aktiven ORFs. Anhand der Transkriptions-Aktivität und den identifizierten putativ kodierenden ORFs auf dem Plasmid pKAP298 konnten neue Hinweise auf ein wahrscheinlich auf dem Plasmid lokalisiertes Toxin-Gen gegeben werden. Aus Ähnlichkeiten zu schon bekannten Sequenzen konnte die Hypothese, dass pKAP298 aus einem Bakteriophagen evolvierte, gestützt und erweitert werden
We present a methodology to augment system safety step-by-step and illustrate the approach by the definition of reusable solutions for the detection of fail-silent nodes - a watchdog and a heartbeat. These solutions can be added to real-time system designs, to protect against certain types of system failures. We use SDL as a system design language for the development of distributed systems, including real-time systems.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, das Aufkommen und die Verteilung von Stoffen im urbanen Wasserkreislauf, insbesondere in den Abwassersystemen in einer umfassenden Gesamtschau zu untersuchen und zu bewerten. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise unterscheidet sich von den bisherigen Untersuchungen, die sich in der Regel auf einen Stoff oder auf einzelne Komponenten in diesem Kreislauf beziehen. Das untersuchte Stoffspektrum reicht von den herkömmlichen Abwasserparametern, wie dem Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), bis hin zu „neuen“, vorwiegend organischen Verbindungen, die in der EG-Wasserrahmenrichtlinie als prioritäre Stoffe bzw. prioritäre gefährliche Stoffe aufgelistet sind. Eine Sichtung der verfügbaren Daten zeigt, dass die Kenntnisse über das Aufkommen und die Wirkung dieser Stoffe sehr lückenhaft sind. Es ist deshalb erforderlich und für die siedlungswasserwirtschaftliche Praxis dringlich, sich mit der Problematik der organischen Schadstoffe zu befassen und die wichtigsten Stoffströme im Abwassersystem zu analysieren. In einem ersten Schritt wird das Gesamtsystem des urbanen Wasserkreislaufs mit seinen naturräumlichen (z.B. Grundwasser) und abwassertechnischen Elementen (z.B. Kanalisation und Kläranlage) dargestellt. Um einen ersten Überblick zu gewinnen und eine geeignete Grundlage für die weitere Vorgehensweise zu erhalten, wird zunächst ein breites Spektrum von Stoffen, aufgeteilt nach anorganischen und organischen Substanzen, beschrieben. Als wichtige Folgerung für künftige Erhebungen ist aus dieser pauschalen Betrachtung abzuleiten, die Datenbasis durch weitere Messungen zu verbessern und die Messprogramme besser aufeinander abzustimmen. Darauf aufbauend werden in einer zweiten Stufe ausgewählte Stoffe bzw. Stoffgruppen, die aufgrund ihres Aufkommens und ihrer potenziellen Auswirkungen auf Fließgewässer als relevant einzuordnen sind, sog. Leitparameter, detailliert behandelt. Als Basis für die Auswahl dieser Leitparameter dienen zunächst die rechtlichen Regelungen, vor allem die der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Als weitere Kriterien werden die mögliche toxische Wirkung der Stoffe, das signifikante Aufkommen in den Abwassermatrices und die Verfügbarkeit von Daten herangezogen. Eine erste Gruppe der Leitparameter umfasst bisher schon häufig im Abwassersystem untersuchte Stoffe bzw. Stoffgruppen: Feststoffparameter, die Summenparameter CSB und BSB, die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor sowie die Schwermetalle Kupfer, Blei, Cadmium und Zink. Als charakteristisches Unterscheidungskriterium wird die Herkunft der Stoffe definiert, die eindeutig die Belastung der verschiedenen Matrices des Abwassersystems bestimmt. Während sich die aus dem Schmutzwasser stammenden („schmutzwasserbürtigen“) Verbindungen (z.B. EDTA) überwiegend im Kläranlagenablauf finden, sind die von der Oberfläche stammenden („oberflächenbürtigen“) Verbindungen (z.B. PAK) vor allem in den niederschlagsbedingten Abflüssen zu erwarten. Um in Erfahrung zu bringen, welche Reduktionssmaßnahmen geeignet sind, werden Überlegungen zur Verteilung dieser Stoffe in den Abwasserentsorgungssystemen angestellt. Mit Hilfe des Instruments der Schmutzfrachtsimulation werden für 32 ausgewählte Stoffe bzw. Sowohl die Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen als auch die Ergebnisse der Simulation, die im Anhangsband wiedergegeben sind, zeigen erhebliche Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Stoffe im Abwasserentsorgungssystem. Für 19 ausgewählte Stoffe bzw. Stoffgruppen, die als relevant gelten müssen, wird eine abschließende Einordnung und Bewertung vorgenommen. Maßgebend für das Aufkommen und die Verteilung im Abwassersystem sind die Kenngrößen: „vorwiegende Herkunft“, „Anteil des partikulären Transports“ und „Rückhalt in der Kläranlage“. Für jede Stoffgruppe werden Empfehlungen zur Verminderung der Gewässerbelastung ausgesprochen. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, die Schadstoffpotenziale bereits an der Quelle zu verringern, gemäß der Forderung der EG-Wasserrahmenrichtlinie, Einleitungen, Emissionen und Verluste prioritärer gefährlicher Stoffe der EG-WRRL zu beenden oder schrittweise einzustellen. In einigen Szenarien konnte gezeigt werden, dass die wirkungsvollste Maßnahme zur Verminderung der Stoffeinträge in Gewässer die Erhöhung der Rückhalteleistung in der Kläranlage und der Regenentlastung ist, die mit bestimmten Techniken wie Membrananlagen, Aktivkohlefiltern und Bodenfiltern erreicht werden kann. Die Weiterentwicklung und der Einsatz moderner Technologien zur Abwasserreinigung und zur Regenwasserbehandlung bleiben damit wichtige Aufgaben für die Zukunft.
The hypoxia inducible factor-1 (HIF-1), a heterodimer composed of HIF-1alpha and HIF-1beta, is activated in response to low oxygen tension and serves as the master regulator for cells to adapt to hypoxia. HIF-1 is usually considered to be regulated via degradation of its a-subunit. Recent findings, however, point to the existence of alternative mechanisms of HIF-1 regulation which appear to be important for down-regulating HIF-1 under prolonged and severe oxygen depletion. The aims of my Ph.D. thesis, therefore, were to further elucidate mechanisms involved in such down-regulation of HIF-1. The first part of the thesis addresses the impact of the severity and duration of oxygen depletion on HIF-1alpha protein accumulation and HIF-1 transcriptional activity. A special focus was put on the influence of the transcription factor p53 on HIF-1. I found that p53 only accumulates under prolonged anoxia (but not hypoxia), thus limiting its influence on HIF-1 to severe hypoxic conditions. At low expression levels, p53 inhibits HIF-1 transactivity. I attributed this effect to a competition between p53 and HIF-1alpha for binding to the transcriptional co-factor p300, since p300 overexpression reverses this inhibition. This assumption is corroborated by competitive binding of IVTT-generated p53 and HIF-1alpha to the CH1-domain of p300 in vitro. High p53 expression, on the other hand, affects HIF-1alpha protein negatively, i.e., p53 provokes pVHL-independent degradation of HIF-1alpha. Therefore, I conclude that low p53 expression attenuates HIF-1 transactivation by competing for p300, while high p53 expression negatively affects HIF-1alpha protein, thereby eliminating HIF-1 transactivity. Thus, once p53 becomes activated under prolonged anoxia, it contributes to terminating HIF-1 responses. In the second part of my study, I intended to further characterize the effects induced by prolonged periods of low oxygen, i.e., hypoxia, as compared to anoxia, with respect to alterations in HIF-1alpha mRNA. Prolonged anoxia, but not hypoxia, showed pronounced effects on HIF-1alpha mRNA. Long-term anoxia induced destabilization of HIF-1alpha mRNA, which manifests itself in a dramatic reduction of the half-life. The mechanistic background points to natural anti-sense HIF-1alpha mRNA, which is induced in a HIF-1-dependent manner, and additional factors, which most likely influence HIF-1alpha mRNA indirectly via anti-sense HIF-1alpha mRNA mediated trans-effects. In summary, the data provide new information concerning the impact of p53 on HIF-1, which might be of importance for the decision between pro- and anti-apoptotic mechanisms depending upon the severity and duration of hypoxia. Furthermore, the results of this project give further insights into a novel mechanism of HIF-1 regulation, namely mRNA down-regulation under prolonged anoxic incubations. These mechanisms appear to be activated only in response to prolonged anoxia, but not to hypoxia. These considerations regarding HIF-1 regulation should be taken into account when prolonged incubations to hypoxic or anoxic conditions are analyzed at the level of HIF-1 stability regulation.
The inverse problem of recovering the Earth's density distribution from data of the first or second derivative of the gravitational potential at satellite orbit height is discussed for a ball-shaped Earth. This problem is exponentially ill-posed. In this paper a multiscale regularization technique using scaling functions and wavelets constructed for the corresponding integro-differential equations is introduced and its numerical applications are discussed. In the numerical part the second radial derivative of the gravitational potential at 200 km orbitheight is calculated on a point grid out of the NASA/GSFC/NIMA Earth Geopotential Model (EGM96). Those simulated derived data out of SGG (satellite gravity gradiometry) satellite measurements are taken for convolutions with the introduced scaling functions yielding a multiresolution analysis of harmonic density variations in the Earth's crust. Moreover, the noise sensitivity of the regularization technique is analyzed numerically.
The mathematical formulation of many physical problems results in the task of inverting a compact operator. The only known sensible solution technique is regularization which poses a severe problem in itself. Classically one dealt with deterministic noise models and required both the knowledge of smoothness of the solution function and the overall error behavior. We will show that we can guarantee an asymptotically optimal regularization for a physically motivated noise model under no assumptions for the smoothness and rather weak assumptions on the noise behavior which can mostly obtained out of two input data sets. An application to the determination of the gravitational field out of satellite data will be shown.
Die Arbeit beschäftigt sich im wesentlichen mit den aktuell zur Verfügung stehenden Werkzeugen der Behandlung von Unsicherheiten in den Ergebnissen von Grundwassermodellen im Zusammenhang mit der Anwendung der Modelle bei der Planung von hydraulischen Sanierungen des Untergrundes. Untersucht wird die Eignung verschiedener Verfahren für eine praxisbezogene Anwendung. Als Ergebnis werden Empfehlungen zur Verwendung der Methoden in Abhängigkeit der hydrogeologischen Gegebenheiten und Hinweise zur Weiterentwicklung der Verfahren formuliert. Die Resultate von Grundwassermodellen werden zu Prognosezwecken in unterschiedlichen Zusammenhängen eingesetzt. Dazu gehören u.a. die Konzipierung von hydraulischen Sanierungsmaßnahmen. Für eine effiziente Ausführung einer Sanierung sollten Überdimensionierungen der notwendigen Einrichtungen (Brunnen, Pumpen, Aufbereitung) vermieden werden. Die hier untersuchten Methoden können dabei vorteilhaft eingesetzt werden, da sie es prinzipiell erlauben, die notwendigen Sicherheitszuschläge zu verringern und Erfolgswahrscheinlichkeiten für unterschiedliche Auslegungsvarianten anzugeben. Erfolgswahrscheinlichkeit bedeutet z.B. mit welcher Wahrscheinlichkeit ein einzuhaltender Grenzwert an einem bestimmten Punkt unterschritten wird. Die aktuell in der Praxis eingesetzten deterministischen Modelle können stattdessen nur einen Wert liefern, der eine nicht bekannte Eintretenswahrscheinlichkeit besitzt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Methoden der stochastischen Simulation, zusammen mit einer Grundwassermodellierung einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der oben dargestellten Situation leisten können. Hierzu wird das SUFIX-Verfahren eingesetzt, das es erlaubt neben den Verfahren der Geostatistik (z.B. stochastische Simulation) auch den Sachverstand des Hydrogeologen, der sich meist nicht in ’harten’ Zahlenwerten ausdrücken lässt, zwanglos zu integrieren. Beispiele hierfür sind Kenntnisse über großskalige Strukturen, wie Paläorinnen, die mit den Voraussetzungen für den Einsatz von stochastischen Simulationen nicht vereinbar sind Auch sind vorhandene Informationen, die mit einer relative hohen Unsicherheit behaftet sind (soft data) in diesem Konzept verwertbar. Die Eingangsdaten eines Grundwassermodells liegen i.d. Regel nur als sporadische Punktmessungen vor und müssen durch Interpolation oder stochastische Simulation generiert werden, um ein lückenloses Abbild des Untergrundes bzw. der Eigenschaften des Untergrundes zu erhalten. Liegt ein vollständiges interpoliertes Abbild (hydrogeologisches Modell) vor, muss wiederum eine Vereinfachung vorgenommen werden, da ein numerisches Modell nur punkt- bzw. flächengemittelte Eingabedaten verwenden kann. Der hierdurch bedingte Verlust an Information über die Variabilität der Modellparameter unterhalb der räumlichen Modelldiskretisierung wirkt sich vor allem bei der Stofftransportmodellierung aus, da hier die Ausbreitung entlang bevorzugter Fließwege eine entscheidende Rolle spielen kann. Eine zusätzliche Quelle der Unsicherheit entsteht dadurch, dass die Lage dieser Strukturen und ihr räumlicher Zusammenhang (Topologie) nicht hinreichend bekannt sind. Anhand zweier Fallbeispiele aus der praktischen Anwendung von numerischen Modellen wird nachgewiesen, dass sich das SUFIX-Verfahren generell als geeignet zur Quantifizierung von Prognoseunsicherheiten darstellt. Vorteile des Verfahrens sind die Kombinationsmöglichkeiten mit beliebigen Methoden zur Abbildung der Untergrundheterogenität. Es können z.B. stochastische Simulationen oder auch eine konstante manuelle Zonierung verwendet werden. Ein weiterer gewichtiger Vorteil ist der, dass die Berechnungsmethodik der Grundwasserströmung und des Stofftransportes keinen Einschränkungen, wie Linearisierung der Gleichungen u.ä. unterworfen ist. Ebenso sind beliebige Randbedingungen verwendbar, wobei auch der Typ der Bedingungen als unsicherer Parameter eingesetzt werden kann. Sollen die Parameter optimiert werden, ist in praktischen Anwendungsfällen die Kopplung von stochastischer Simulation und z.B. einem Bayes'schen Updating-Verfahren eine einfach zu implementierende Lösung. Hiermit ist dann auch die Kalibrierung beliebiger Randbedingungen möglich, die z.B. als Parameter mit einer nominalen Kodierung berücksichtigt werden können. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass das Verfahren zur Abbildung der Heterogenität dem Aquifer angepasst gewählt werden muss. Gauss-basierte Verfahren, wie Turning-Bands, sind demnach am ehesten für die Simulation von relativ homogenen Aquiferen geeignet, während bei sehr heterogenen Strukturen, d.h. großer Variabilität der Parameterwerte, am ehesten Indikator-basierte Verfahren in Frage kommen. Noch besser schneidet in diesem Fall die manuelle Zonierung ab, was vor allem damit zu erklären ist, dass bei sehr heterogenen Untergrundverhältnissen v.a. die Struktur mit eventuell nur deterministisch erfassbaren übergeordneten Elementen von ausschlaggebender Bedeutung ist. Als Simulationsverfahren mit dem größten Entwicklungspotential kann man generell diejenigen Verfahren ansehen, die auch nicht Gauss-verteilte Daten verwenden, wie z.B. die hier verwendeten Indikatorbasierten Verfahren. Als ebenfalls sehr gut geeignete Verfahren stellten sich Simulated Annealing in der Variante als Postprozessor zusammen mit einem frei definierbaren ’Trainingsbild’ dar. Die Untersuchungsergebnisse zeigten aber auch, dass neben der Wahl der geeigneten mathematischen Methoden eine weitere grundlegende Bedingung erfüllt sein muss, nämlich ein widerspruchsfreies und stimmiges, an den Einsatzzweck angepasstes konzeptionelles hydrogeologisches Modell. Zu dessen Konzeption muss der Anwender bzw. Modellierer über Kenntnisse der großräumigen Strukturen verfügen, die sich aus der Genese des Untergrundes ergeben und nur durch eine fachliche Interpretation erreichbar sind. Hierzu gehören Schichtungen, Paläorinnen, anisotrope Bodeneigenschaften durch Terrassierung, usw.. Die Einbeziehung dieser Expertenkenntnisse, sowie die Sicherstellung eines geeigneten hydrogeologischen Modells für die numerische Modellierung sind Themenbereiche, die im Zusammenhang mit einer Unsicherheitsanalyse noch erheblichen Forschungsbedarf aufweisen.
Das moderne Wohngebäude zeichnet sich durch einen niedrigen Heizwärmebedarf aus. Mit Zunahme der Sensitivität des Wohngebäudes bezüglich der Solarstrahlung aufgrund neuartiger Systeme wie transparenter Wärmedämmung, Phasenwechselmaterialien oder großer Fensterflächen, erweitert sich der herkömmliche Regelungsansatz zur Einhaltung des behaglichen Raumklimas. Das thermische Gebäudeverhalten definiert sich weitaus komplexer. Es kommen neben der notwendigen Heizung weitere Aktoren (Sonnenschutzeinrichtung, Lüftung) ins Spiel. Die Zunahme der realisierbaren, solaren Erträge bewirken im Winter fossile Energieeinsparungen. Im Sommer sind jedoch ohne geeignete Maßnahmen Überhitzungen die Folge. Mit Hilfe moderner und vernetzter Regelungstechnik können Wirtschaftlichkeit des Systems und Komfort optimiert werden. Hierzu wurden bewährte Simulationswerkzeuge erweitert. Moderne Komponenten wie Phasenwechselmaterialien, transparente Wärmedämmung und Verschattungssysteme auf Basis einer schaltenden Schicht im Glasverbund erfahren eine Modellbildung. Umfangreiche Validierungen zu den Teilmodellen und zum Gesamtmodell zeigen, dass eine realitätsnahe Abbildung erreicht wird. Grundlage dieser Validierungssequenzen waren Feldtestmessungen an bewohnten Gebäuden, sowie Ergebnisse von Systemtestständen. Die Aussagesicherheit des gesamten Gebäudemodells wurde durch eine sogenannte "Cross-Validation" mit anderen etablierten Simulationsprogrammen hergestellt. Mit der Schaffung der realitätsnahen Abbildung eines solaroptimierten Wohngebäudes, welches an eine heizungsunterstützende, solarthermische Anlage gekoppelt ist, wurde die Grundlage zur Entwicklung einer prädiktiven Wärmeflussregelung in Wohngebäuden mit erweitertem thermischen Verhalten gelegt. Eine Untersuchung zum dynamischen Verhalten auf periodische Anregung von Einflussgrößen, zeigt die dominanten Zeitkonstanten des Gebäudesystems auf. Einfallende Solarstrahlung durch Fenster wirkt sich am schnellsten auf die empfundene Raumtemperatur aus. Dies hat Auswirkung auf die prädiktive Regelung. Während im Winter die Solarstrahlung zur Heizungsunterstützung herangezogen werden soll, gilt es, im Sommer die Bewohner vor Überhitzung zu schützen. Damit die Regelung in der Heizperiode an sonnigen Tagen nicht unnötig vorheizt (d. h. frühzeitig abgeschalten wird, da der zukünftige Heizbedarf von der Sonne gedeckt werden kann) und damit Überhitzungen(vor allem im Sommer) vermieden werden können, wurde für das untersuchte Gebäudemodell ein Prognosehorizont für den Prädiktor bestimmt. Mit dem modellbasierten Regelungskonzept wurde ein übergreifendes Wärmemanagementsystem entwickelt, welches mit der Information einer lokalen Wettervorhersage den thermischen Zustand des Gebäudes vorhersagt. Aufgrund des im Regler implementierten, reduzierten Modells, berücksichtigt die Prädiktion die besonderen Eigenschaften der eingesetzten Fassadenkomponenten. Umfangreiche, simulationsgestützte Untersuchungen bewerten das Regelungskonzept. Als Referenzsystem dient ein Gebäude mit herkömmlichem Regelungskonzept.
In my doctoral thesis, I present new information about the developmental expression pattern of the potassium chloride cotransporter KCC2 in the rat auditory brain stem and the morphometrical effects caused by KCC2 gene silencing in mice. The thesis is divided into 3 Chapters. Chapter 1 is a general introduction which gives a brief outline of the primary ascending auditory pathway in mammals. Also, it provides information about the presence of a large number of inhibitory inputs in the auditory system and how these inputs develop; the involvement of inhibition in the acoustic processing is mentioned. In addition, the role of the KCC2 cotransporter in the shift of GABA/glycine transmission, and thus, in maintaining the normal level of inhibition in the mature brain, is described. The focus of Chapter 2 was to investigate the KCC2 immunofluorescent signal from postnatal day (P) 0 to P60 in four major nuclei of the rats superior olivary complex (SOC), namely the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB), the medial superior olive (MSO), the lateral superior olive (LSO), and the superior paraolivary nucleus (SPN). The lack of a correlation between the continuous presence of KCC2 mRNA/protein in the postnatal rat brain stem on one side, and the shift in GABA/glycinergic polarity (i.e. KCC2 functionality) on the other side, prompted me to search for a specific cellular expression pattern of the KCC2 protein that might correlate with the switch in GABA/glycine signalling. To do so, the KCC2 immunoreactivity was analysed using high-resolution confocal microscopy in three cellular regions of interest: the soma surface, the soma interior, and the neuropil. In the soma surface, I observed an increase of the KCC2 immunofluorescent signal intensity, yet with a moderate magnitude (1.1 to 1.6-fold). Therefore, I conclude that the change in the soma surface signal is only of minor importance and does not explain the change in KCC2 functionality. The KCC2 signal intensity in the soma interior decreased in all nuclei (1.4 to 2-fold) with the exception of the MNTB where no statistically significant change was found. The decrease in the soma interior was probably related to the increase in the soma surface immunoreactivity and the proposed (weak) intracellular trafficking process of the KCC2 protein. The main developmental reorganization (in qualitative as well as in quantitative aspects) of the KCC2 immunofluorescence in the SOC nuclei was observed in the neuropil. The signal changed its pattern from a diffusely stained neuropil early in development (P0-P4) to a crisp and membrane-confined signal later on (P8-P60), with single dendrites becoming apparent. The exception was found in the MNTB, where the neuropil became almost unlabeled. Quantification revealed a statistically significant decrease (2.2 to 3.8-fold) in the neuropil immunoreactivity in all four nuclei, although the remaining KCC2-stained dendrites became thicker and the signal became stronger. I suppose that, at least in part, the neuropil reorganization can be explained by an age-related reduction of dendritic branches via a pruning mechanism and with the absence of an abnormal Cl- load via extrasynaptic GABAA receptors. This is consistent with the proposed additional role of KCC2, namely to maintain the cellular ionic homeostasis and to prevent dendritic swelling (Gulyás et al., 2001). In conclusion, neither the increase in the KCC2 soma surface signal intensity, nor the reorganization in the neuropil can be strictly related to the developmental switch in the GABA/glycine polarity and the onset of KCC2 function, although some correlation (the appearance of a specific membrane-confined dendritic pattern) between structure and function was found. Further implication of different molecular methods, regarding the proposed posttranslational modification of KCC2, will shed light upon the question of what leads to the functional activation of the cotransporter. In Chapter 3, the advantage of loss-of-function KCC2 mice made it possible, via manipulating the duration of the depolarizing phase of GABA/glycine transmission, to analyse the effect of disturbed Cl- regulation and, thus, the effect of disrupted GABA/glycine neurotransmission (lack of inhibition). I asked the following question: how important is the Cl- homeostasis to maintain general aspects (brain weight) and specific aspects (nucleus volume, neuron number, and soma cross-sectional area) of brain development? Brain stem slices from KCC2 knock-out animals (-/-), with a trace amount of transporter (~5%), as well as from wild type animals (+/+) at P3 and P12 were stained for Nissl substance and the analyses were performed with the help of basic morphometrical and stereological methods. In KCC2 (-/-) animals, body growth impairment was observed, in part related to the seizure activity preventing normal feeding (Woo et al., 2002). However, their brains, in terms of brain weight, were less affected. Therefore, I conclude that Cl- homeostasis is not essential per se to maintain the brain weight. Four auditory nuclei (MNTB, MSO, LSO, and ventral cochlear nucleus (VCN)), were compared with respect to the KCC2 null mutation. The SOC nuclei were not influenced by the lack of KCC2 at P3 considering the morphometric parameters. A difference in the number of neurons occurred in the VCN at P3. I suggest to perform additional immunohistochemical studies of glial presence related to its involvement in the structural and functional support of the neurons and their survival. At P12, the volume of the auditory nuclei in KCC2 (-/-) animals was smaller than in (+/+) animals. However, this is likely to be an epiphenomenon since the brain weight increase was also impaired with the same magnitude. Therefore, I suppose that the Cl- homeostasis is not crucial for the nucleus volume increase in the VCN, the MNTB and the MSO during development. An exception was found for the LSO. Regarding the other morphometric parameters at P12, the four nuclei behaved in a different way: (1) in the VCN, after P3, no parameter underwent a disproportional change due to impaired Cl- homeostasis; (2) the MNTB and the LSO showed less pronounced neuropil in mutants in comparison to age-matched controls and two reasons were proposed: first, the depolarizing GABA/glycine transmission in mutants may contribute to excessive Ca2+ load, excitotoxicity and dendrite damage; second, a decrease of some trophic factors may prevent dendrite development in addition to impaired normal body growth; (3) the MSO neurons in P12 (-/-) animals had smaller soma cross-sectional area than in P12 (+/+) animals. I conclude that the normal Cl- homeostasis is required in the MSO at older ages (P12) to achieve and maintain a proper soma size; (4) the lack of KCC2 did not prevent the process of neuronal differentiation in the VCN and the MNTB during development in both mutant and control animals. In conclusion, the various auditory nuclei have to be discussed independently regarding the influence of Cl- homeostasis on some morphometric parameters. Presumably, this is related to the different time of the shift in the GABA/glycine polarity i.e., the onset of KCC2 function (Srinivasan et al., 2004a). Taken together, my thesis accumulated data about the immunohistological expression pattern of KCC2 in various auditory brain stem nuclei and the influence of impaired Cl- homeostasis on some morphometric features in these nuclei. This information will be helpful for further investigations involved to discover the mechanisms and the events that govern the inhibition and the inhibitory pathway in the central auditory system.
Many applications dealing with geometry acquisition and processing produce polygonal meshes that carry artifacts like discretization noise. While there are many approaches to remove the artifacts by smoothing or filtering the mesh, they are not tailored to any specific application subject to·certain restrictive objectives. We show how to incorporate smoothing schemes based on the general Laplacian approximation to satsify all those objectives at
the same time for the results of flow simulation in the application field of car manufacturing. In the presented application setting the major restrictions come from the bounding volume of the flow simulation, the so-called installation space. In particular, clean mesh regions (without noise) should not be smoothed while at the same time the installation space must not be violated by the smoothing of the noisy mesh regions. Additionally, aliasing effects at the boundary between clean and noisy mesh regions must be prevented. To address the fact that the meshes come from flow simulation, the presented method is versatile enough to preserve their exact volume and to apply anisotropic filters using the flow information.
Although the paper focuses on the results of a specific application, most of its findings can be transferred to different settings as well.
After a short introduction to the basic ideas of lattice Boltzmann methods and a brief description of a modern parallel computer, it is shown how lattice Boltzmann schemes are successfully applied for simulating fluid flow in microstructures and calculating material properties of porous media. It is explained how lattice Boltzmann schemes compute the gradient of the velocity field without numerical differentiation. This feature is then utilised for the simulation of pseudo-plastic fluids, and numerical results are presented for a simple benchmark problem as well as for the simulation of liquid composite moulding.
Iterative solution of large scale systems arising after discretization and linearization of the unsteady non-Newtonian Navier–Stokes equations is studied. cross WLF model is used to account for the non-Newtonian behavior of the fluid. Finite volume method is used to discretize the governing system of PDEs. Viscosity is treated explicitely (e.g., it is taken from the previous time step), while other terms are treated implicitly. Different preconditioners (block–diagonal, block–triangular, relaxed incomplete LU factorization, etc.) are used in conjunction with advanced iterative methods, namely, BiCGStab, CGS, GMRES. The action of the preconditioner in fact requires inverting different blocks. For this purpose, in addition to preconditioned BiCGStab, CGS, GMRES, we use also algebraic multigrid method (AMG). The performance of the iterative solvers is studied with respect to the number of unknowns, characteristic velocity in the basic flow, time step, deviation from Newtonian behavior, etc. Results from numerical experiments are presented and discussed.
Approximating illumination by point light sources, as done in many professional applications, suffers from the problem of the weak singularity: Numerical exceptions caused by the division by the squared distance between the point light source and the point to be illuminated must be avoided. Multiple importance sampling overcomes these problems by combining multiple sampling techniques by weights. Such a set of weights is called a heuristic. So far the estimators resulting from a heuristic only have been analyzed for variance. Since the cost of sampling is not at all constant for different sampling techniques, it is possible to find more efficient heuristics, even though they may hove higher variance. Based on our new stratification heuristic, we present a robust and unbiased global illumination algorithm. By numerical examples, we show that it is more efficient than previous heuristics. The algorithm is as simple as a path tracer, but elegantly avoids the problem of the weak singularity.
In soil mechanics assumption of only vertical subsidence is often invoked and this leads to the one-dimensional model of poroelasticity. The classical model of linear poroelasticity is obtained by Biot [1], detailed derivation can be found e.g., in [2]. This model is applicable also to modelling certain processes in geomechanics, hydrogeology, petroleum engineering (see, e.g., [3, 8], in biomechanics (e.g., [9, 10]), in filtration (e.g., filter cake formation, see [15, 16, 17]), in paper manufacturing (e.g., [11, 12]), in printing (e.g., [13]), etc. Finite element and finite difference methods were applied by many authors for numerical solution of the Biot system of PDEs, see e.g. [3, 4, 5] and references therein. However, as it is wellknown, the standard FEM and FDM methods are subject to numerical instabilities at the first time steps. To avoid this, discretization on staggered grid was suggested in [4, 5]. A single layer deformable porous medium was considered there. This paper can be viewed as extension of [4, 5] to the case of multilayered deformable porous media. A finite volume discretization to the interface problem for the classical one-dimensional Biot model of consolidation process is applied here. Following assumptions are supposed to be valid: each of the porous layers is composed of incompressible solid matrix, it is homogeneous and isotropic. Furthermore, one of two following assumptions is valid: porous medium is not completely saturated and fluid is incompressible or porous medium is completely saturated and fluid is slightly compressible. The reminder of the paper is organised as follows. Next section presents the mathematical model. Third section is devoted to the dicsretization of the continuous problem. Fourth section contains the results from the numerical experiments.