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Acrylamid und Acrolein gehören zu den alpha,beta-ungesättigten Carbonylverbindungen. Sie zeichnen sich wie andere alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindungen durch eine hohe Reaktionsfähigkeit aus. Einerseits können sie leicht mit Proteinen und DNA reagieren, was zytotoxische und genotoxische Wirkungen hervorrufen kann, andererseits können sie aber auch schnell durch Glutathionkonjugation detoxifiziert werden.
Acrylamid ist eine in großem Umfang produzierte Industriechemikalie, die hauptsächlich Anwendung bei der Herstellung von Polyacrylamidprodukten findet. Aus Acrylamid hergestellte Polymere und Copolymere werden in der Kosmetikindustrie, als Bindemittel bei der Papierherstellung, als Flockungsmittel in der Abwasseraufbereitung und in biochemischen Laboratorien verwendet. Nachdem Acrylamid-Hämoglobin-Addukte im Jahre 2002 auch in nicht Acrylamid-exponierten Personen gefunden wurden, vermutete man Lebensmittel als mögliche Expositionsquelle. Anschließende Studien konnten dies bestätigen und zeigten, dass Acrylamid beim Erhitzen von Lebensmitteln vor allem bei hohen Temperaturen im Verlauf der Maillard-Reaktion gebildet werden kann. Die World Health Organisation (WHO) beziffert die weltweite durchschnittliche Exposition mit Acrylamid über Lebensmittel auf 1-4 µg Acrylamid/kg Körpergewicht (KG) und Tag. Acrylamid zeigte in verschiedenen Studien neurotoxische, entwicklungs- und reproduktionstoxische, genotoxische und kanzerogene Wirkungen. Acrylamid wurde im Jahre 1994 von der International Agency for Research on Cancer (IARC) in die Gruppe 2A als Stoff eingestuft, der wahrscheinlich krebserzeugend beim Menschen ist.
Acrylamid wird im Organismus zum genotoxischen Metaboliten Glycidamid gegiftet. Glycidamid bildet DNA-Addukte vor allem mit dem N7 des Guanins. Glycidamid-DNA-Addukte konnten im Tierversuch an Nagern nach Verabreichung hoher Mengen Acrylamid in allen untersuchten Organen gefunden werden. Als Hauptweg der Entgiftung von Acrylamid und Glycidamid gilt die Bindung an Glutathion (GSH) und der Abbau und die Ausscheidung als Mercaptursäure (MA) in Urin. Aufgrund des oxidativen Metabolismus von Acrylamid hängt die biologische Wirkung wesentlich vom Gleichgewicht der giftenden und entgiftenden Metabolismuswege in der Leber ab.
Acrolein wird seit 1940 kommerziell zur Herstellung von Acrylsäure, dem Ausgangsprodukt für Acrylatpolymere industriell produziert. Außerdem kann Acrolein aus Aminosäuren, Fetten oder Kohlenhydraten während des Erhitzens von Lebensmitteln gebildet werden. Während der Zubereitung von kohlenhydratreichen Lebensmitteln kann Acrolein wie auch Acrylamid im Verlauf der Maillard-Reaktion entstehen. Acrolein ist als einfachster alpha,beta-ungesättigter Aldehyd hochreaktiv gegenüber Nukleophilen wie z.B. Thiol- oder Aminogruppen unter Ausbildung von Michael-Addukten. Die hohe Reaktivität und Flüchtigkeit von Acrolein führt dazu, dass derzeit nur wenig zuverlässige Daten zu Acrolein-Gehalten speziell in kohlenhydratreichen Lebensmitteln vorliegen; sofern Daten zu Gehalten vorhanden sind, bewegen sich diese im niedrigen µg/kg-Bereich. Zudem ist bisher ungeklärt, in welchem Ausmaß Acrolein zur humanen Gesamtexposition gegenüber hitzeinduzierten Schadstoffen neben Acrylamid in Lebensmitteln beiträgt. Die derzeitige Datenlage lässt eine eindeutige Risikobewertung nicht zu. Eine stetige Exposition mit Acrolein gilt als sicher. In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass die toxikologischen Effekte von Acrolein im Gegensatz zu Acrylamid insgesamt nicht auf einer erhöhten Tumorinzidenz beruhen. Daher wurde Acrolein von der IARC in Kategorie 3 eingestuft: Es gilt als möglicherweise krebserzeugend beim Menschen, allerdings ist die Datenlage nicht ausreichend, um eine eindeutige Beurteilung vornehmen zu können.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Toxikokinetik und -dynamik der beim Erhitzen von Lebensmitteln entstehenden Kontaminanten Acrylamid und Acrolein in vitro und in vivo zu untersuchen. Im Vordergrund stand die Erfassung dosisabhängiger Genotoxizität von Acrylamid sowie der MA als wichtigste Entgiftungsreaktion im Tierversuch im Bereich der derzeitigen Verbraucherexposition. Die Ergebnisse, insbesondere zur Toxikokinetik, sollten durch in vitro Versuche in primären Rattenhepatozyten untermauert werden. Außerdem sollte vergleichend die bisher kaum mithilfe von Biomarkern untersuchte nahrungsbezogene Exposition des Verbrauchers mit Acrylamid und Acrolein bestimmt werden. Eine Dosis-Wirkungsuntersuchung an Sprague Dawley (SD)-Ratten im Dosisbereich von 0,1 bis 10.000 µg/kg KG lieferte erstmals quantitative Informationen zur DNA-Adduktbildung durch den genotoxischen Acrylamid-Metaboliten Glycidamid bis in niedrigste Expositionsbereiche. In diesem Niedrigdosisbereich (0,1 bis 10 µg/kg KG) liegt die nach Einmaldosierung gemessene N7-GA-Gua-Bildung im unteren Bereich der humanen Hintergrundgewebsspiegel für DNA-Läsionen verschiedenen Ursprungs. Dieser Befund könnte die zukünftige Risikobewertung von Expositionen mit solchen genotoxischen Kanzerogenen auf eine neue und der Messung zugängliche Basis stellen. Mit der in dieser Arbeit eingesetzten extrem empfindlichen instrumentellen Analytik sind erstmals Messungen von genotoxischen Ereignissen bis in den Bereich der Verbraucherexposition möglich geworden. Es bleibt allerdings zu beachten, das Genotoxizität zwar eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Mutagenität und maligne Transformation ist. Die auf ein genotoxisches Ereignis folgende biologische Antwort, muss jedoch in die Risikobewertung mit einbezogen werden.
In primären Rattenhepatozyten ließ sich bei Inkubation mit Acrylamid zeigen, dass GSH-Addukte deutlich früher bei niedrigeren Acrylamidkonzentrationen nachweisbar sind als Glycidamid und N7-GA-Gua-Addukte. Der direkte Vergleich der Bildung von Glycidamid mit jener der AA-GSH-Addukte ließ schließen, dass die Entgiftung von Acrylamid in primären Rattenhepatozyten bis zu dreifach schneller verläuft als die Giftung. Zusätzlich ließ sich erstmals zeigen, dass primäre Rattenhepatozyten neben der Kopplung von Xenobiotika an GSH, zumindest auch in kleinen Anteilen zur Umwandlung in die entsprechenden MA fähig sind.
Um das von Acrolein ausgehende Gefährdungspotential zu untersuchen, wurde dessen DNA-Adduktbildung in vitro untersucht. Als Biomarker für die Bildung eines Haupt-DNA-Adduktes wurde fünffach 15N-markiertes Hydroxypropanodeoxyguanosin (OH-[15N5]-PdG) synthetisiert und charakterisiert. DNA Inkubationsversuche mit Acrolein zeigten eine konzentrations- und zeitabhängige Bildung der OH-PdG-Addukte. Acrolein reagierte nur wenig langsamer als Glycidamid zu diesen Addukten.
Zur Untersuchung der Toxikokinetik von Acrylamid und Acrolein in vivo nach Aufnahme von hoch belasteten bzw. kommerziell erhältlichen Kartoffelchips wurden die Ergebnisse aus zwei Humanstudien durchgeführt und ausgewertet. Die Ausscheidungskinetiken Acrolein-assoziierter MA im Menschen korrelierten eindeutig mit der Aufnahme von Kartoffelchips. Der Vergleich der im Urin ausgeschiedenen Mengen an Acrolein- bzw. Acrylamid-assoziierten MA ließ auf eine wesentlich höhere nahrungsbezogene Exposition mit Acrolein (4- bis 12-fach) verglichen mit Acrylamid schließen. Analytische Messungen der Acroleingehalte in den Lebensmitteln hatten aber nur eine Kontamination ergeben, die nur einen geringen Anteil der expositionsbedingt im Urin erfassten MA-Mengen erklären kann. Ob Acrolein an der Lebensmittelmatrix in einer Weise gebunden vorliegt, dass es sich der analytischen Erfassung durch die zur Verfügung stehenden Verfahren wie Headspace-GC/MS entzieht und erst nach Aufnahme in den Organismus freigesetzt wird, wird Gegenstand künftiger Untersuchungen. Zusätzlich liefern die Ergebnisse beider Humanstudien starke Hinweise auf eine endogene Bildung von Acrolein, da auch in den Wash-out Phasen ein relativ hoher Anteil an Acrolein-assoziierten MA erfasst wurde. Zukünftige Untersuchungen sollten die endogene Exposition und die Bildungsmechanismen von Acrolein und anderen Alkenalen aus verschiedenen physiologischen Quellen genauer untersuchen, und in Beziehung setzen zur exogenen, ernährungsbezogenen Exposition. Ebenso sollten künftig verstärkt die Auswirkungen kombinierter Exposition durch solche erhitzungsbedingt gebildeten Stoffe untersucht werden.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Trennung von kurzkettigen Alkan/Alken-Gemischen an nanostrukturierten porösen Adsorbentien. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche metallorganische Koordinationspolymere und Zeolithe synthetisiert und charakterisiert. Zur Untersuchung des Adsorptionsverhaltens dieser Adsorbentien wurden Adsorptionsisothermen von C2-, C3- und C4-Kohlenwasserstoffen bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die Messung der Adsorption der reinen Kohlenwasserstoffe ergab, dass die adsorbierte Stoffmenge mit der spezifischen Oberfläche des Adsorbens korreliert, sowie von der kritischen Temperatur des Adsorptivs abhängt und in der Reihenfolge C2 < C3 < C4 zunimmt. Eine Ausnahme hiervon bilden flexible metallorganische Koordinationspolymere, welche Atmungs- bzw. Porenöffnungseffekte zeigen. Die Isothermen dieser Materialien weisen Sprünge auf, wobei diese jedoch abhängig vom Druck, vom Adsorptiv und von der Temperatur sind. Die Trennung von Alkan/Alken-Gemischen an den hergestellten Adsorbentien wurde in einem kontinuierlich durchströmten Festbettadsorber untersucht. Es zeigten sich unterschiedliche Trennfaktoren in Abhängigkeit von der Porenöffnung und der Gerüststruktur der Adsorbentien. Die Untersuchung der Desorption der Kohlenwasserstoffe von Cu\(_3\)(btc)\(_2\) ergab, dass der Desorptionsprozess bei Raumtemperatur nur sehr langsam verläuft. Es zeigte sich, dass die zur Desorption erforderliche Temperatur nimmt steigender Kohlenstoffzahl des Kohlenwasserstoffs zunimmt.
Image restoration and enhancement methods that respect important features such as edges play a fundamental role in digital image processing. In the last decades a large
variety of methods have been proposed. Nevertheless, the correct restoration and
preservation of, e.g., sharp corners, crossings or texture in images is still a challenge, in particular in the presence of severe distortions. Moreover, in the context of image denoising many methods are designed for the removal of additive Gaussian noise and their adaptation for other types of noise occurring in practice requires usually additional efforts.
The aim of this thesis is to contribute to these topics and to develop and analyze new
methods for restoring images corrupted by different types of noise:
First, we present variational models and diffusion methods which are particularly well
suited for the restoration of sharp corners and X junctions in images corrupted by
strong additive Gaussian noise. For their deduction we present and analyze different
tensor based methods for locally estimating orientations in images and show how to
successfully incorporate the obtained information in the denoising process. The advantageous
properties of the obtained methods are shown theoretically as well as by
numerical experiments. Moreover, the potential of the proposed methods is demonstrated
for applications beyond image denoising.
Afterwards, we focus on variational methods for the restoration of images corrupted
by Poisson and multiplicative Gamma noise. Here, different methods from the literature
are compared and the surprising equivalence between a standard model for
the removal of Poisson noise and a recently introduced approach for multiplicative
Gamma noise is proven. Since this Poisson model has not been considered for multiplicative
Gamma noise before, we investigate its properties further for more general
regularizers including also nonlocal ones. Moreover, an efficient algorithm for solving
the involved minimization problems is proposed, which can also handle an additional
linear transformation of the data. The good performance of this algorithm is demonstrated
experimentally and different examples with images corrupted by Poisson and
multiplicative Gamma noise are presented.
In the final part of this thesis new nonlocal filters for images corrupted by multiplicative
noise are presented. These filters are deduced in a weighted maximum likelihood
estimation framework and for the definition of the involved weights a new similarity measure for the comparison of data corrupted by multiplicative noise is applied. The
advantageous properties of the new measure are demonstrated theoretically and by
numerical examples. Besides, denoising results for images corrupted by multiplicative
Gamma and Rayleigh noise show the very good performance of the new filters.
Thermoplastic polymer-polymer composites consist of a polymeric matrix and a
polymeric reinforcement. The combination of these materials offers outstanding
mechanical properties at lower weight than standard fiber reinforced materials.
Furthermore, when both polymeric components originate from the same family or,
ideally, from the same polymer, their sustainability degree is higher than standard
fiber reinforced composites.
A challenge of polymer-polymer composites is the subsequent processing of their
semi-finished materials by heating techniques. Since the fibers are made of meltable
thermoplastic, the reinforcing fiber structure might be lost during the heating process.
Hence, the mechanical properties of an overheated polymer-polymer composite
would decline, and finally, they would be even lower than the neat matrix. A decrease
of process temperature to manage the heating challenge is not reasonable since the
cycle time would be increased at the same time. Therefore, this work pursues the
adaption of a fast and selective heating method on the use with polymer-polymer
composites. Inductively activatable particles, so-called susceptors, were distributed in
the matrix to evoke a local heating in the matrix when being exposed to an
alternating magnetic field. In this way, the energy input to the fibers is limited.
The experimental series revealed the induction particle heating effect to be mainly
related to susceptor material, susceptor fraction, susceptor distribution as well as
magnetic field strength, coupling distance, and heating time. A proper heating was
achieved with ferromagnetic particles at a filler content of only 5 wt-% in HDPE as
well as with its respective polymer fiber reinforced composites. The study included
the analysis of susceptor impact on mechanical and thermal matrix properties as well
as a degradation evaluation. The susceptors were identified to have only a marginal
impact on matrix properties. Furthermore, a semi-empiric simulation of the particle
induction heating was applied, which served for the investigation of intrinsic melting
processes.
The achieved results, the experimental as well as the analytic study, were
successfully adapted to a thermoforming process with a polymer-polymer material,
which had been preheated by means of particle induction.
I report on two experiments, which were designed to test theoretical predictions about individual behavior in a duopolistic setting. With quantity being the choice variable a simultaneous Cournot game and a sequential Stackelberg game were tested over two periods. The key feature of both models was that players were able to lower marginal cost for period two if they successfully outperformed their competition in period one in terms of profit. Experimental results suggest that in the Cournot game players are very competitive in period one but become Cournot players in period two. In the Stackelberg game Cournot play is modal, suggesting that players have preferences for equality in payoffs, which maybe brought about by punishment of Stackelberg followers and fear of punishment of Stackelberg leaders . Overall, players earned more money in the Stackelberg game than in the Cournot game.
Development of New Methods for the Synthesis of Aldehydes, Arenes and Trifluoromethylated Compounds
(2012)
In the 1st project, successful development of 2nd generation of a palladium catalyst for the selective hydrogenation of carboxylic acids to aldehydes was accomplished. This project was done in cooperation with Dipl. Chem. Thomas Fett from Boeringer Ingelheim, Austria. The new catalyst is highly effective for the conversion of diversely functionalized aromatic, heteroaromatic and aliphatic carboxylic acids to the corresponding aldehydes in the presence of pivalic anhydride at 5 bar hydrogen pressure, which was otherwise achieved either at 30 bar of hydrogen pressure or by using waste intensive hypophosphite bases as reducing agent. Our method has increased the synthetic importance of this valuable transformation. Selective hydrogenation of carboxylic acids to the corresponding aldehydes is now possible with industrial hydrogenation equipment as well as laboratory scale glass autoclaves. It might also convince the synthetic organic chemists to use this transformation for routine aldehyde synthesis in the laboratories.
In the 2nd project, a microwave assisted Cu-catalyzed protodecarboxylation of arenecarboxylic acids to arenes is achieved. This work was done in collaboration with Dipl. Chem. Filipe Manjolinho under the supervision of Dr. Nuria Rodríguez. In the presence of 1-5 mol% of inexpensive CuI/1,10-phenanthroline catalyst generated in situ under microwave radiations, diversely functionalized arenes and heteroarene carboxylic acids have been decarboxylated to the corresponding arenes in good yields at 190 °C in 5-15 min. The loss of volatile arenes with the release of CO2 is controled by the use of sealed high pressure resistant microwave vessels. These reactions are highly beneficial for parallel synthesis in drug discovery due to their short reaction time. Microwave technology will also help in the future to develop more effective catalysts for protodecarboxylation rections.
Based on the microwave assisted protodecarboxylation strategy, decarboxylative coupling of arenecarboxylic acids with aryl triflates and tosylates was also conducted under microwave radiation which provided higher yields of the corresponding biphenyls from deactivated substrates in short reaction time compared to the conventional heating.
In the 3rd project, crystalline, potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate was successfully applied for the synthesis of benzotrifluorides under the oxidative conditions. This project was done in cooperation with Dipl. Chem. Annette Buba. In the presence of Cu(OAc)2 and molecular oxygen, arylboronates were coupled with K+[CF3B(OMe)3] in DMSO at 60 °C. A variety of benzotriflurides was synthesized in good yields under the optimized reaction conditions. This protocol for the oxidative trifluoromethylation of arylboronates is the base for the development of decarboxylative trifluoromethylation reaction of arenecarboxylic acids.
The 4th project discloses the simple and straightforward synthesis of trifluoromethylated alcohols by nucleophilic addition of potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate to carbonyl compounds. This project was done in cooperation with Dr. Thomas Knauber and Dipl. Chem. Annette Buba. In the presence of K+[CF3B(OMe)3] in THF at 60 °C, diversely functionalized aldehydes and ketones were successfully converted into the corresponding trifluoromethylated alcohols.
The 3rd and 4th projects demonstrate the successful establishment of crystalline and shelf stable potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate as highly versatile CF3-source in nucleophilic trifluoromethylation reactions. These new protocols are characterized by their user-friendliness and broad applicability under mild reaction conditions, thus they are beneficial for late stage introduction of CF3-group into organic molecules.
Wechselnde Umweltbedingungen wie Temperaturveränderungen oder der Zugang zu Nährstoffen erfordern spezielle genetische Anpassungsprogramme, vor allem von sessilen Organismen wie Pflanzen. Ein solcher hochkonservierter Mechanismus, der unter anderem vor Temperaturspitzen schützt, ist die von Hitzeschockfaktoren (HSF) kontrollierte Hitzeschockantwort (HSR). Dabei werden vermehrt spezifische Hitzestressproteine (HSPs, Chaperone) gebildet, die Proteine vor Denaturierung schützen. In Pflanzen hat sich ein hochkomplexes regulatorisches Netzwerk gebildet, das aus über 20 HSFs besteht, das eine genaue Feinabstimmung der HSR auf die jeweiligen Stressbedingungen erlaubt.
Das hohe Maß an Komplexität der HSR in Pflanzen erschwert die wissenschaftliche Zugänglichkeit jedoch erheblich. Um die grundlegenden Prinzipien der HSR in Pflanzen zu verstehen griffen wir deshalb auf einen einfacheren Modellorganismus zurück, der Pflanzen sehr nahe steht aber nur einen einzigen HSF (HSF1) enthält, der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu drei Ansätze verfolgt.
Als erstes wurden verschiedene chemische Substanzen eingesetzt die unterschiedliche Schritte während der Aktivierung und Abschaltung der HSR hemmen um darüber die Regulation der HSR aufzuklären. Dabei wurde festgestellt, dass die Phosphorylierung von HSF1 eine entscheidende Rolle in der Aktivierung der HSR spielt, das auslösende Momentum die Anhäufung von falsch gefalteten Proteinen ist und das HSP90A aus dem Cytosol eine wichtige modulierende Rolle bei der HSR spielt.
Als zweites wurde die Veränderung sämtlicher Transkripte mithilfe von Microarrays gemessen, um vor allem pflanzenspezifische Prozesse zu identifizieren, die auf erhöhte Temperaturen gezielt angepasst werden müssen. Dabei konnte die Chlorophyll Biosynthese und der Transport von Proteinen in den Chloroplasten als neue, pflanzenspezifische Ziele der Stressantwort identifiziert werden. Des Weiteren konnte direkt gezeigt werden, das HSF1 auch plastidäre Chaperone reguliert, im Gegensatz zu mitochondrialen Chaperonen die getrennt gesteuert werden.
Als letztes wurde gezielt die Expression wichtiger Gene für die Stressantwort (HSF1/HSP70B) unterdrückt, um den Einfluss dieser Gene auf die HSR genauer zu studieren. Dazu habe ich ein in der einzelligen Grünalge neuartiges System entwickelt, basierend auf dem RNAi Mechanismus, dass es erlaubt abhängig von der Stickstoffquelle im Nährmedium auch essentielle Gene gezielt auszuschalten. Dieses System erlaubte es zu zeigen, dass HSF1 selbst während des Stresses die Expression seiner RNA erhöht, und dies gezielt tut um die Stressantwort weiter zu verstärken. Es konnte weiter gezeigt werden, dass das Chloroplasten Chaperon HSP70B ein essentielles Protein für das Zellwachstum ist, welches mithilfe des induzierbaren RNAi Systems genauer untersucht werden kann. Dabei wurde festgestellt, dass die HSP70B vermittelte Assemblierung und Disassemblierung des VIPP1 Proteins entscheidend ist für dessen Funktion in der Zelle. Des Weiteren konnte gezeigt werde, dass HSP70B wahrscheinlich verantwortlich ist für die Faltung eines oder mehrerer noch unbekannter Enzyme der Arginin Biosynthese oder der Stickstofffixierung, und das diese Prozesse wahrscheinlich die essentielle Funktion von HSP70B darstellen.
The discrete nature of the dispersed phase (swarm of droplet) in stirred and pulsed liquid-liquid extraction columns makes its mathematical modelling of such complex system a tedious task. The dispersed phase is considered as a population of droplets distributed randomly with respect to their internal properties (such as: droplet size and solute concentration) at a specific location in space. Hence, the population balance equation has been emerged as a mathematical tool to model and describe such complex behaviour. However, the resulting model is too complicated. Accordingly, the analytical solution of such a mathematical model does not exist except for particular cases. Therefore, 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. However, modelling and simulation of liquid extraction columns is not an easy task because of the discrete nature of the dispersed phase, which consist of population of droplets. The natural frame work for taking this into account is the population balance approach.
In part of this doctoral thesis work, a rigours mathematical model based on the bivariate population balance frame work (the base of LLECMOD ‘‘Liquid-Liquid Extraction Column Module’’) for the steady state and dynamic simulation of pulsed (sieve plate and packed) liquid-liquid extraction columns is developed. The model simulates the coupled hydrodynamic and mass transfer for pulsed (packed and sieve plate) extraction columns. The model is programmed using visual digital FORTRAN and then integrated into the LLECMOD program. Within LLECMOD the user can simulate different types of extraction columns including stirred and pulsed ones. The basis of LLECMOD depends on stable robust numerical algorithms based on an extended version of a fixed pivot technique after Attarakih et al., 2003 (to take into account interphase solute transfer) and advanced computational fluid dynamics numerical methods. Experimental validated correlations are used for the estimation of the droplet terminal velocity in extraction columns based on single and swarm droplet experiments in laboratory scale devices. Additionally, recent published correlations for turbulent energy dissipation, droplet breakage and coalescence frequencies are discussed as been used in this version of LLECMOD. Moreover, coalescence model from literature derived from a stochastical description have been modified to fit the deterministic population model. As a case study, LLECMOD is used here to simulate the steady state performance of pulsed extraction columns under different operating conditions, which include pulsation intensity and volumetric flow rates are simulated. The effect of pulsation intensity (on the holdup, mean droplet diameter and solute concentration) is found to have more profound effect on systems of high interfacial tension. On the hand, the variation of volumetric flow rates have substantial effect on the holdup, mean droplet diameter and solute concentration profiles for chemical systems with low interfacial tension. Two chemical test systems recommended by the European Federation of Chemical Engineering (water-acetone (solute)-n-butyl acetate and water-acetone (solute)-toluene) and an industrial test system are used in the simulation. Model predictions are successfully validated against steady state and transient experimental data, where good agreements are achieved. The simulated results (holdup, mean droplet diameter and mass transfer profiles) compared to the experimental data show that LLECMOD is a powerful simulation tool, which can efficiently predict the dynamic and steady state performance of pulsed extraction columns.
In other part of this doctoral thesis work, the steady state performance of extraction columns is studied taking into account the effect of dispersed phase inlet condition (light or heavy phase is dispersed) and the direction of mass transfer (from continuous to dispersed phase and vice versa) using the population balance framework. LLECMOD, a program that uses multivariate population balance models, is extended to take into account the direction of mass transfer and the dispersed phase inlet. As a case study, LLECMOD is used to simulate pilot plant RDC columns where the steady state mean flow properties (dispersed phase hold up and droplet mean diameter) and the solute concentration profiles are compared to the available experimental data. Three chemical systems were used: sulpholane–benzene–n-heptane, water–acetone–toluene and water–acetone–n-butyl acetate. The dispersed phase inlet and the direction of mass transfer as well as the chemical system physical properties are found to have profound effect on the steady state performance of the RDC column. For example, the mean droplet diameter is found to persist invariant when the heavy phase is dispersed and the extractor efficiency is higher when the direction of mass transfer is from the continuous to the dispersed phase. For the purpose of experimental validation, it is found that LLECMOD predictions are in good agreement with the available experimental data concerning the dispersed phase hold up, mean droplet diameter and solute concentration profiles in both phases.
In a further part of this doctoral thesis, a mathematical model is developed for liquid extraction columns based on the multivariate population balance equation (PBE) and the primary secondary particle method (PSPM) introduced by Attarakih, 2010 (US Patent Application: 0100106467). It is extended to include the momentum balance for the dispersed phase. The advantage of momentum balance is to eliminate the need for often conflicting correlations used in estimating the terminal velocity of single and swarm of droplets. The resulting mathematical model is complex due to the integral nature of the population balance equation. To reduce the complexity of this model, while maintaining most of the information drawn from the continuous population balance equation, the concept of the PSPM is used. Based on the multivariate population balance equation and the PSPM a mathematical model is developed for any liquid extraction column. The secondary particle could be envisaged as a fluid particle carrying information about the distribution as it is evolved in space and time, in the meanwhile the primary particles carry the mean properties of the population such as total droplet concentration; mean droplet diameter dispersed phase hold up and so on. This information reflects the particle-particle interactions (breakage and coalescence) and transport (convection and diffusion). The developed model is discretized in space using a first-order upwind method, while semi-implicit first-order scheme in time is used to simulate a pilot plant RDC extraction column. Here the effect of the number of primary particles (classes) on the final predicted solution is investigated. Numerical results show that the solution converge fast even as the number of primary particle is increased. The terminal droplet velocity of the individual primary particle is found the most sensitive to the number of primary particles. Other mean population properties like the droplet mean diameter, mean hold up and the concentration profiles are also found to converge along the column height by increasing the number of primary particles. The predicted steady state profiles (droplet diameter, holdup and the concentration profiles) along a pilot RDC extraction column are compared to the experimental data where good agreement is achieved.
In addition to this a robust rigorous mathematical model based on the bivariate population balance equation is developed to predict the steady state and dynamic behaviour of the interacting hydrodynamics and mass transfer in Kühni extraction columns. The developed model is extended to include the momentum balance for the calculation of the droplet velocity. The effects of step changes in the important input variables (such as volumetric flow rates, rotational speed, inlet solute concentrations etc.) on the output variables (dispersed phase holdup, mean droplet diameter and the concentration profiles) are investigated.
The last topic of this doctoral thesis is developed to transient problems. The unsteady state analysis reveals the fact that the largest time constant (slowest response) is due to the mass transfer. On the contrary, the hydrodynamic response of the dispersed phase holdup is very fast when compared to the mass transfer due to the relative fast motion of the dispersed droplets with respect to the continuous phase. The dynamic behaviour of the dispersed and continuous phases shows a lag time that increases away from the feed points of both phases. Moreover, the solute concentration response shows a highly nonlinear behaviour due to both positive and negative step changes in the input variables. The simulation results are in good agreement with the experimental ones and show the usefulness of the model.
The goal of this work is to develop a simulation-based algorithm, allowing the prediction
of the effective mechanical properties of textiles on the basis of their microstructure
and corresponding properties of fibers. This method can be used for optimization of the
microstructure, in order to obtain a better stiffness or strength of the corresponding fiber
material later on. An additional aspect of the thesis is that we want to take into account the microcontacts
between fibers of the textile. One more aspect of the thesis is the accounting for the thickness of thin fibers in the
textile. An introduction of an additional asymptotics with respect to a small parameter,
the relation between the thickness and the representative length of the fibers, allows a
reduction of local contact problems between fibers to 1-dimensional problems, which
reduces numerical computations significantly.
A fiber composite material with periodic microstructure and multiple frictional microcontacts
between fibers is studied. The textile is modeled by introducing small geometrical
parameters: the periodicity of the microstructure and the characteristic
diameter of fibers. The contact linear elasticity problem is considered. A two-scale
approach is used for obtaining the effective mechanical properties.
The algorithm using asymptotic two-scale homogenization for computation of the
effective mechanical properties of textiles with periodic rod or fiber microstructure
is proposed. The algorithm is based on the consequent passing to the asymptotics
with respect to the in-plane period and the characteristic diameter of fibers. This
allows to come to the equivalent homogenized problem and to reduce the dimension
of the auxiliary problems. Further numerical simulations of the cell problems give
the effective material properties of the textile.
The homogenization of the boundary conditions on the vanishing out-of-plane interface
of a textile or fiber structured layer has been studied. Introducing additional
auxiliary functions into the formal asymptotic expansion for a heterogeneous
plate, the corresponding auxiliary and homogenized problems for a nonhomogeneous
Neumann boundary condition were deduced. It is incorporated into the right hand
side of the homogenized problem via effective out-of-plane moduli.
FiberFEM, a C++ finite element code for solving contact elasticity problems, is
developed. The code is based on the implementation of the algorithm for the contact
between fibers, proposed in the thesis.
Numerical examples of homogenization of geotexiles and wovens are obtained in the
work by implementation of the developed algorithm. The effective material moduli
are computed numerically using the finite element solutions of the auxiliary contact
problems obtained by FiberFEM.
Für viele Anwendungen von Polymerkompositen steigt der Bedarf an multifunktionalen
Werkstoffeigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit als integrierte
Funktionalität ist eine davon. Elektrisch leitfähige Polymerkomposite werden unter
anderem in explosionsgeschützten Anlagen oder in Bereichen eingesetzt, in denen
eine elektrostatische Ableitung gefordert wird.
Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nanotubes (CNTs)) sind aufgrund ihrer herausragenden
intrinsischen, vorwiegend mechanischen und elektrischen Eigenschaften
als Funktionsfüllstoff in polymeren Matrizes in das wissenschaftliche und industrielle
Interesse gerückt. Aufgrund ihrer vielfältigen Erscheinungsformen, abhängig von ihren
Herstellungsverfahren von einwandigen bis mehrwandigen CNTs und ihrer vorhandenen
Defektdichte sowie strukturellen Aufbauten, ist jede CNT-Type als Individuum
zu betrachten. Unabhängig von existierenden Einflussfaktoren wie z.B. dem
Matrixpolymer und den Verarbeitungsbedingungen differieren je nach CNT-Type die
Nanokompositeigenschaften signifikant. Dies führt dazu, dass die Ergebnisse und
Erkenntnisse außerordentlich stark streuen. Dadurch sind allgemeingültige Aussagen
nur bedingt möglich. Häufig sind nicht alle notwendigen Details der Wertschöpfungskette
in Veröffentlichungen dargelegt, was die Nachvollziehbarkeit erschwert.
Industriell hergestellte, mehrwandige CNTs (MWNTs) sind verstärkt in das industrielle
Interesse gerückt. Die Erforschung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
von CNT-Nanokompositen, außerhalb des Labormaßstabs, mit kommerziell
verfügbaren MWNTs und industriell relevanten Verarbeitungsverfahren, ist
weiter von ingenieurwissenschaftlicher Relevanz. Es besteht ein großer Bedarf an
Forschungsarbeiten, die klar herausstellen, welche Eigenschaftsprofile unter Beachtung
der notwendigen Wertschöpfungskette zu erzielen sind.
Bei der Kompoundentwicklung ist die gleichzeitige Verbesserung von Kompositeigenschaften
wie beispielsweise elektrischer, mechanischer und tribologischer Eigenschaften
anzustreben, um eine effektive Multifunktionalität zu erzielen. Die Funktionalisierung
mit mikroskaligen kurzen Kohlenstofffasern (SCFs) und mikroskaligem
Graphit ist Stand der Technik. Eine Kombination von nano- und mikroskaligen Füllstoffen
stellt große Potenziale zur Optimierung von Kompositeigenschaften bereit. Derartige Hybridwerkstoffe versprechen Synergien. Werden diese gezielt ausgenutzt,
lassen sich die Gesamteigenschaften über das Potenzial der Einzelfüllstoffe hinaus
optimieren. Es liegen wenige systematische Studien von Füllstoffkombinationen aus
MWNTs und SCFs oder Graphit vor. Zudem finden Hochtemperatur-Thermoplaste
wie das in dieser Arbeit eingesetzte Polyphenylensulfid (PPS) in der Literatur wenig
Beachtung, obwohl diese inzwischen industriell stark an Bedeutung gewinnen.
Ziel dieser Arbeit war die grundlagenorientierte, wissenschaftliche Betrachtung der
erreichbaren multifunktionalen Eigenschaften von PPS Kompositen durch den Einsatz
kommerziell verfügbarer MWNTs im direkten Vergleich und in Kombination mit
mikroskaligen SCFs und Graphit als Füllstoffe. Dazu wurden systematisch Kombinationen
der drei Füllstoffe untersucht, um eine effektive Multifunktionalität zu realisieren
und um die Effektivität der Einzelfüllstoffe in kombinierten Füllstoffsystemen zu
erforschen.
Neben der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit und den mechanischen Eigenschaften
unter Zugbelastung bei Raumtemperatur wurden die tribologischen Eigenschaften
der Komposite untersucht. Über mikroskopische Verfahren, DSC-, DMTAund
Viskositätsuntersuchungen konnten wesentliche Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgeleitet werden, indem die dafür notwendige Wertschöpfungskette
von der Kompositherstellung über Doppelschneckenextrusion und anschließender
Probenherstellung über Spritzguss als industriell relevante Herstellungsverfahren
Beachtung fand.
Über optimierte Prozessparameter (Schneckendesign, Drehzahl, Temperatur etc.)
der Doppelschneckenextrusion und des Spritzgusses konnte gezeigt werden, dass
elektrisch leitfähige PPS-Komposite mit geringsten MWNT-Füllstoffgehalten
(< 2 Gew.-%) unter Beibehaltung der Zugfestigkeit realisiert werden können. Dabei
wurde die Steifigkeit erhöht, die Zähigkeit erniedrigt.
Systematisch wurden monomodale Graphit/, SCF/, bimodale MWNT/Graphit/, Graphit/
SCF/, MWNT/SCF/ und multimodale MWNT/Graphit/SCF/PPS-Komposite hergestellt,
womit der jeweilige Füllstoffeinfluss auf das Eigenschaftsprofil untersucht
wurde. Sowohl die Steifigkeitssteigerung durch MWNTs und SCFs als auch die spezifischen
elektrischen Leitfähigkeiten der Komposite wurden mit bereits existierenden Modellen beschrieben. Für bimodale MWNT/SCF/PPS-Komposite konnte ein neuer
Modellansatz zur Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit erarbeitet werden.
Mit dieser Arbeit wurden erstmals Studien zu systematischen Füllstoffkombinationen
von MWNTs, Graphit und SCFs in PPS durchgeführt, Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
abgebildet und die notwendige Wertschöpfungskette dargelegt.
Mit den neuen Ergebnissen und Erkenntnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich,
durch eine optimierte Füllstoffkombination von MWNTs, SCFs und Graphit das Gesamteigenschaftsprofil
von PPS Kompositen zielorientiert einzustellen.
Durch diese Arbeit wurde klar herausgearbeitet, wie die Einzelfüllstoffe und insbesondere
deren Kombinationen das Eigenschaftsprofil beeinflussen. Daraus geht hervor,
dass MWNTs der effektivste Füllstoff zur Integration einer elektrischen Leitfähigkeit
ist. Dagegen bestimmen SCFs das mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil
und Graphit dient zur Optimierung tribologischer Eigenschaften und insbesondere
zur Reduktion des Reibungskoeffizienten. Synergien zur Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit zwischen SCFs und MWNTs wurden nachgewiesen,
speziell in Perkolationsnähe, dem Bereich, in dem die Leitfähigkeit um Dekaden ansteigt.