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Ökonomische Prozessanalyse und Modellintegration zur Kostenberechnung von Faser-Kunststoff-Verbunden
(2006)
The introduction to the topic is a description of the techno-economic evolution of
composites. Apart from this, today’s market state of the art of composites is also explained.
As a conclusion, the principal trend towards the higher quality by the increased
application of carbon fibers is ascertained. In particular, it is pointed out that
the restraints of the market growth are mainly caused by the high price, most notably,
of the fiber materials. This situation, in connection with the maturation of the composite
manufacturing processes, demands the need of a cost calculation tool.
In the second step, former composite cost models and their implementations into
software – if available – are described and benchmarked. As a result it is proposed to
combine, different approaches because of their fundamental potential as well as the
deficits. It is suggested to use a resource-based methodology combined with the
PBKM (prozessbasierte Kostenmodellierung = process-based cost modelling) and to
implement the models in a cost calculation software.
The first aim is an economic process analysis which is carried out to receive an abstract
and modular system. Thereby, it is possible to describe the production processes
by successive refinement more and more detailed. The process is divided in
multiple steps which are itself subdivided in technical activities or handlings. The
relevant cost objects with the identifiable cost positions are assigned to those handlings.
This approach assures modularity and offers the possibility of an easy software
implementation. In addition, the functionality of this methodology is demonstrated
considering the two examples “thermoplastic tape placement” and “continuous
pressing”. For that reason these composite manufacturing techniques are analyzed
and the structure is mapped within the use of suggested methodology.
The next topic deals with the modelling of the cycle time for the thermoplastic tape
placement with the use of the PBKM. Within this methodology the derivation of the
cycle time depends only on physical process parameters, which results in a geometrical
complexity based model. The developed model is verified by comparing of the
theoretically derived values with practical experiments. Along with this, the assumptions
for this model are revised and verified. As a technical enhancement of the tape
placement process, different designs of a geometry-adaptive consolidation role are introduced. This technical extension of the process technology is necessary for the
final verification of the model. The new consolidation unit enables to move all geometrical
degrees of freedom and complexities with the same laminate quality. Finally,
a possibility to transfer the methodology of the PBKM to other technologies is proved.
Therefore, it is offered a modus operandi how the continuous pressing technique can
be modelled with the help of the PBKM.
The last chapter deals with the cost calculation tool concerning the structural configuration,
design, and functionality of the software. It is the consequential synthesis of
the results of the economic process analysis and the cycle time models. The practicability
of the modularity is proved by its application in the design phase of the software
and by the integration of the modelling into the tool. The developed cost calculation
software for composite manufacturing processes offers a standardization of the
inputs and calculation algorithms by the use of introduced process analysis, the subdivision
into smallest units. The cycle time calculation models are process specific
know-how which can easily be used unlike an expert's system. The separation of the
single functional entities assures a stringent data management, possibilities for the
advancement, and furthermore, the variableness of representation and reuse of the
derived data. The functionality of the cost tool concerning evaluations and comparisons
are pointed out with two case studies. Plus, the postulated transferability of the
methodology on other composite technologies is demonstrated. The main advantage
of this system is that the modelling offers economical statements of different process
variations without experimentation. Besides, the values ascertained by the PBKM are
more precise compared to other existing models. Therefore, the PBKM can be the
basis for investment decisions like technology change or modifications and helps to
identify techno-economic limitations and potentials.
This version of the cost calculation software offers only the standard repertoire of
cost evaluations and comparisons which turn out to be upgradeable. Thus, there exists
potential to enhance the functionality concerning sensitivity analyses, the integration
of cycle time models for other composite processing technologies, and further
possibilities for the graphic processing. As a conclusion the software with the combination
of different attempts offers a good starting position with respect to the current
evolution status and should be extended.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde Knochenmarksmaterial von 110 Leukämiepatienten auf das Vorliegen von p53-Gen-Deletionen untersucht. Zu diesem Zweck wurden sowohl Interphasezellkerne als auch Metaphasen der Leukämiezellen mittels der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungstechnik (FISH) mit der p53-Gen-Sonde untersucht. Dabei konnte in keinem der 55 untersuchten Patienten mit lymphatischer Leukämie eine Alleldeletion des p53-Gens nachgewiesen werden. Da die p53-Gen-Deletion nach den Literaturangaben bei etwa 7% der Patienten mit lymphatischer Leukämie vorkommt, widersprechen die eigenen Ergebnisse diesen Angaben. Als Grund kann die zu geringe Anzahl der untersuchten Fälle genannt werden. Bei den 55 hier untersuchten Patienten, die an myeloischer Leukämie erkrankt waren, konnte in 7 Fällen (13%) eine Deletion im p53-Gen mittels FISH nachgewiesen werden. Der Anteil der gefundenen p53-Gen-Deletionen war deutlich höher als aufgrund der Literaturangaben erwartet. Die sieben Patienten, bei denen eine p53-Gen-Deletion nachgewiesen wurde, waren alle an akuter myeloischer Leukämie (AML) erkrankt. Alle Patienten, die eine p53-Gen-Deletion aufwiesen, zeigten auch einen numerisch und strukturell aberranten Karyotyp. Im zweiten Arbeitsabschnitt wurden Knochenmarkszellen von 21 Patienten mit hämatologischen Erkrankungen mittels spektraler Karyotypisierung (SKY) untersucht und mit dem zytogenetischen Routinebefund verglichen. Ziel der Untersuchung war die Identifizierung von numerischen und strukturellen Chromosomenaberrationen, die durch die konventionelle zytogenetische Untersuchung nicht identifiziert werden konnten. Bei 17 (81%) der Fälle wurden durch SKY zusätzliche Chromosomenaberrationen festgestellt. Nur bei 4 (19%) der Fälle wurde der zytogenetische Befund bestätigt. Im dritten Arbeitsabschnitt wurden Meningeome untersucht. Bei 22 Meningeomen (17 benigne und 5 atypische Meningeomen) wurde mittels Interphase-FISH nach einer Alleldeletion des p53-Gens gesucht. Es konnte jedoch in keinem Fall eine solche Deletion nachgewiesen werden. Weiterhin wurden bei 24 Meningeomen 96 frische Biopsieproben von verschiedenen Tumorarealen mit G-Bänderungstechnik zytogenetisch analysiert. Zur besseren Aufklärung komplex aberranter Karyotypen wurden zwei Fälle (Nr. 1 und Nr. 7) auch mittels SKY-Analyse untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es festzustellen, ob zytogenetische Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Arealen innerhalb eines Tumors vorliegen. Es gab bei 13 von 24 Meningeomen (54%) zytogenetische Unterschiede zwischen den verschiedenen Arealen innerhalb eines Tumors. 24 (83%) von 29 Meningeomen wurden nach der WHO-Klassifikation von Meningeomen in den Tumorgrad I eingestuft und 5 (17%) von 29 Meningeomen in den Tumorgrad II. Die Tumorgradverteilung in dieser Arbeit entspricht den Literaturangaben. 13 von 24 Tumoren wiesen entweder einen normalen Karyotyp oder nur eine Monosomie 22 auf. Alle 13 Tumoren wurden nach der WHO-Klassifikation von Meningeomen in den Tumorgrad I eingestuft. Vier Meningeome wiesen stark aberrante Karyotypen auf, was vermutlich ein Zeichen für die Tumorprogression darstellt. Es wurde auch untersucht, ob eine Korrelation zwischen dem zytogenetischen und histologischen Befunden vorliegt. In der vorliegenden Arbeit hat bei sechs Fällen der histologische Befund nicht mit dem zytogenetischen Befund übereingestimmt, da die Tumore in den Tumorgrad I eingestuft wurden, der zytogenetische Befund aber einen aberranten Chromosomensatz aufwies, der normalerweise nicht bei niedriggradigen Meningeomen, sondern bei atypischen und anaplastischen Meningeomen vorkommt. Die Untersuchungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination verschiedener zytogenetischer und molekularzytogenetischer Methoden zur Charakterisierung Chromosomaler Aberrationen bei Meningeomen sinnvoll ist.
Die vorliegende Arbeit liefert zutreffende zyklische Lastverformungs- und Rissfortschrittsbeziehungen für Trägerverbundfugen mit Kopfbolzendübel 22mm (Durchmesser) anhand derer man in der Lage ist, den Schädigungs- und Lastverformungszustand in einem Verbundträger unter zyklischer Belastung zu bestimmen. Die Modelle wurden auf Grundlage einer hohen Anzahl von weggeregelten Push-Out-Versuchen abgeleitet und an einigen zyklischen Trägerversuchen verifiziert. Mit den gefundenen Zusammenhängen ist es möglich, sehr genaue Lebensdauerprognosen für Kopfbolzendübel in Trägerverbundfugen abzugeben. Weiter wird ein einfaches Bemessungskonzept für Kopfbolzenermüdung vorgeschlagen.
Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen
hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt
wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der
zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend
das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen
Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder
Grundkenntnisse noch nicht realisiert.
In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer
Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von
Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu
erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial
wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid
12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen
pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag
auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit
diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde
Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern,
die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit,
sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils
verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der
Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde
die Abzugskraft analysiert.
Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und
morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und
die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die
Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin
wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht.
Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die
Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen
Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet.
Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion
vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der
Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde
erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt.
Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der
Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der
isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene
Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah
zufriedenstellende Ergebnisse.
Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der
Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode.
Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten
Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.
Wetting of a solid surface with liquids is an important parameter in the chemical engineering process such as distillation, absorption and desorption. The degree of wetting in packed columns mainly contributes in the generating of the effective interfacial area and then enhancing of the heat and mass transfer process. In this work the wetting of solid surfaces was studied in real experimental work and virtually through three dimensional CFD simulations using the multiphase flow VOF model implemented in the commercial software FLUENT. That can be used to simulate the stratified flows [1]. The liquid rivulet flow which is a special case of the film flow and mostly found in packed columns has been discussed. Wetting of a solid flat and wavy metal plate with rivulet liquid flow was simulated and experimentally validated. The local rivulet thickness was measured using an optically assisted mechanical sensor using a needle which is moved perpendicular to the plate surface with a step motor and in the other two directions using two micrometers. The measured and simulated rivulet profiles were compared to some selected theoretical models founded in the literature such as Duffy & Muffatt [2], Towell & Rothfeld [3] and Al-Khalil et al. [4]. The velocity field in a cross section of a rivulet flow and the non-dimensional maximum and mean velocity values for the vertical flat plate was also compared with models from Al-Khalil et al. [4] and Allen & Biggin [5]. Few CFD simulations for the wavy plate case were compared to the experimental findings, and the Towel model for a flat plate [3]. In the second stage of this work 3-D CFD simulations and experimental study has been performed for wetting of a structured packing element and packing sheet consisting of three elements from the type Rombopak 4M, which is a product of the company Kuhni, Switzerland. The hydrodynamics parameters of a packed column, e. i. the degree of wetting, the interfacial area and liquid hold-up have been depicted from the CFD simulations for different liquid systems and liquid loads. Flow patterns on the degree of wetting have been compared to that of the experiments, where the experimental values for the degree of wetting were estimated from the snap shooting of the flow on the packing sheet in a test rig. A new model to describe the hydrodynamics of packed columns equipped with Rombopak 4M was derived with help of the CFD–simulation results. The model predicts the degree of wetting, the specific or interfacial area and liquid hold-up at different flow conditions. This model was compared to Billet & Schultes [6], the SRP model Rocha et al. [7-9], to Shi & Mersmann [10] and others. Since the pressure drop is one of the most important parameter in packed columns especially for vacuum operating columns, few CFD simulations were performed to estimate the dry pressure drop in a structured and flat packing element and were compared to the experimental results. It was found a good agreement from one side, between the experimental and the CFD simulation results, and from the other side between the simulations and theoretical models for the rivulet flow on an inclined plate. The flow patterns and liquid spreading behaviour on the packing element agrees well with the experimental results. The VOF (Volume of Fluid) was found very sensitive to different liquid properties and can be used in optimization of the packing geometries and revealing critical details of wetting and film flow. An extension of this work to perform CFD simulations for the flow inside a block of the packing to get a detailed picture about the interaction between the liquid and packing surfaces is recommended as further perspective.
Im ersten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Spin-Label Aminosäure HO3007 (ein Derivat des Alanins, dessen Seitenkette mit dem Spinlabel 2,2,5,5-Tetramethylpyrrolin-nitroxid modifiziert ist) mit der Methode der amber-Suppression in Proteine inkorporiert werden kann. Der Einbau wurde ESR-spektroskopisch nachgewiesen. Dazu wurde eine neue amber-Suppressor tRNA synthetisiert. Am Akzeptorstamm trägt die tRNA die Spin-Label-Aminosäure HO3007, mit ihrem Anticodon erkennt die tRNA das amber Codon. Der Einbau der Aminosäure erfolgte in ein 137 Aminosäuren langes N-terminales Fragment des humanen Mtj1p-Proteins in vitro. Zu diesem Zweck wurde in den in vitro Expressionsvektor pIVEX2.3MCS das Gen für ein 137 Aminosäuren langes N-terminales Fragment des humanen Mtj1p-Proteins einkloniert. Das Gen wurde so mutiert, dass sich an der Position des Codons für die Aminosäure Phe113 (TAC) die amber-Mutation (TAG) befindet. Der neu synthetisierte Vektor trägt die Bezeichnung pIVEX2.3MCSMtj1pN-term. Der Vektor und die amber-Suppressor tRNA wurden in einem E.coli in vitro Translationssystem eingesetzt. Die hohen gebundenen Anteile der anschließend gemessenen ESR-Spektren zeigen, dass die Spin-Label Aminosäure in das nativ gefaltete N-terminale Fragment des Mtj1p-Proteins eingebaut wurde. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass das Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP auch in der isolierten -Untereinheit der FOF1-ATP-Synthase des thermophilen Bacillus PS3 an die katalytische Bindungsstelle bindet und somit für weitergehende Untersuchungen von Struktur-Funktionsbeziehungen als Reportermolekül geeignet ist. Dazu wurde die isolierte -Untereinheit mit dem Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP kovalent markiert und anschließend tryptisch verdaut. Die entstandenen Peptidfragmente wurden mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie analysiert. Mit Hilfe der MASCOT-Datenbank und der Software BioTools der Fa. Bruker konnte ein Fragment identifiziert werden, bei dem Tyr 341, das sich in der katalytischen Bindungsstelle befindet, mit dem ADP-Derivat von 2-N3-2’,3’-SL-ATP kovalent markiert ist. Einen weiteren Hinweis für die erfolgreiche kovalente Modifizierung der -Untereinheit mit 2-N3-2’,3’-SL-ATP lieferte die Untersuchung des unverdauten Proteins im MALDI-TOF Massenspektrometer. Im Vergleich zum unmodifizierten Protein weist der Peak der modifizierten -Untereinheit ein deutliches Peak-tailing zu höheren Massen auf. Da die Proben vor der Messung entsalzt wurden, spricht diese Beobachtung deutlich für die kovalente Modifizierung des Proteins. Die Ergebnisse dieses Teils der Arbeit beweisen, dass das Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP auch im Fall der isolierten -Untereinheit an die katalytische Bindungsstelle bindet.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Laserlicht-Gewebe-Wechselwirkung für unterschiedliche biologische Materialien und Lasersysteme. Zum einen wurde die Ablationsdynamik bei Femtosekunden-Pulsen und Hartgewebe untersucht. Hierzu wurden Laserpulse der Wellenlänge 800 nm mit einer Pulsenergie bis 1,6 mJ und einer Pulslänge von 45 fs auf Knochengewebe fokussiert und somit eine Ablation induziert. Die Dynamik dieses Vorgangs wurde mit Kurzzeitfotografie über eine ns-Blitzlampe und einer Kamera dargestellt, analysiert und so das Risiko einer Schädigung bei Mittelohroperationen durch einzelne Ablationsschritte abgeschätzt. Die ermittelten Werte für einen äquivalenten Schalldruck von 122 dB liegen dabei im Bereich einer möglichen Schädigung für das Innenohr. Die theoretisch zu erwartende Luftionisation vor dem Laserfokus wurde experimentell bestätigt und stellt ebenfalls eine Gefahr für die Umgebung des Operationsfeldes dar. Zum anderen erfolgte eine Charakterisierung der Wechselwirkung von Hochleistungs-Diodenlaserstrahlung mit Weichgewebe an unterschiedlichen Modellsystemen. Für diese Untersuchungen wurde ein in-vivo Lungen-Perfusionssystem aufgebaut, wodurch erstmals Messungen an durchblutetem Lungengewebe in einem Modellsystem verwirklicht wurden. Die vom Lasersystem simultan emittierten Wellenlängen lagen bei 804 nm und 930 nm; die Leistungsdichten wurden, bei Pulsdauern im Bereich von 500 ms, zwischen 7,1*10^4 W/cm^2 und 2,5*10^5 W/cm^2 variiert. Die erreichten Ablationstiefen von einem bis vier mm und die erreichte Dichtheit des Operationsfeldes gegenüber Luft- und Blutaustritt lassen einen Einsatz des Systems in der Lungenchirurgie zu. Untersuchungen zur Wechselwirkung mit einzelnen Blutgefäßen erfolgten an der Chorioallantoismembran eine Hühnereies (das sogenannte Hühnerei-Modell) und damit erstmals in-vivo ohne Tierversuch. Die Leistungsdichte lag bei diesen Untersuchungen zwischen 37,7 W/cm^2 und 44 W/cm^2 bei Bestrahlungszeiten um 10 ms. Dabei wurden Blutgefäße bis etwa 1 mm Durchmesser wahlweise vollständig oder zum Teil verschlossen.
Das antioxidative Potenzial eines roten Mehrfruchtsaftes mit hohem Anthocyan-/Polyphenolanteil wurde in zwei humanen Interventionsstudien mit Biomarkern oxidativer Zellschädigung und Zellantwort charakterisiert. Ergänzend wurden ein Mehrfruchtsaftextrakt (ME) und ausgewählte potentiell antioxidativ wirksame Mehrfruchtsaftinhaltsstoffe (Anthocyane) in in vitro-Experimenten untersucht. In einer Interventionsstudie nahmen 18 männliche Probanden nach einer 3-wöchigen Run-in-Phase über vier Wochen täglich 700 mL eines anthocyanreichen Mischfruchtsaftes (TEAC 19,1 mmol/L Trolox) auf. Anschließend folgte eine 3-wöchige Wash-out-Phase ohne Saftaufnahme. Neun der 18 Probanden nahmen zusätzlich an einer zweiten Interventionsstudie mit identischem Design teil, jedoch unter Verwendung eines Kontrollsaftes, in dem die phenolische Fraktion weitgehend technologisch entfernt wurde. Wöchentliche wurde Blut entnommen zur Bestimmung der Biomarker (oxidative) DNA-Schädigung, Lipidperoxidationsprodukte Malondialdehyd, Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen und Isoprostane (Urin), Glutathionspiegel/-status und DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors NFkappaB. Ergänzend wurden die Konzentrationen der Carotinoide und des alpha-Tocopherols in Plasma bestimmt. In den in vitro-Experimenten kam ein zweistufiges Inkubationsprotokoll in humanen Blut- bzw. Kolonzelllinien (Jurkat, Caco-2) zur Anwendung: basierend auf einer 24 h bzw. 1 h Behandlung mit phenolischem Antioxidans, gefolgt von einer Induktion von oxidativem Stress (durch Menadion, 1 h bzw. tert-Butylhydroperoxid, 40 min), um eine pathologische in vivo Situation nachzustellen. Untersucht wurde neben der zellfreien Bestimmung der antioxidativen Kapazität (TEAC), die Modulation (oxidativer) DNA-Schädigung und des ROS-Levels in der Zelle. Die Ergebnisse der Interventionsstudie mit Mehrfruchtsaft zeigten eine signifikante Abnahme oxidativer DNA-Schäden (p< 0,0005), Zunahme des tGSH-Spiegels (p< 0,0005) und Anstieg des Glutathionstatus (p< 0,05) während der 4-wöchigen Saftaufnahme im Vergleich zu den 3-wöchigen Run-in-/Wash-out-Phasen. Eine signifikante Abnahme der Lipidperoxidation dagegen wurde nicht beobachtet. Es zeigte sich lediglich eine deutliche Tendenz zu einer Abnahme der Isoprostangehalte während der Saftaufnahme. Eine Verringerung der DNA-Bindungsaktivität von NFkappaB durch Saft war nicht nachweisbar. Die Plasmagehalte der Carotinoide und des alpha-Tocopherols, als mögliche und bekanntermaßen antioxidativ wirksame Substanzen, blieben während aller Interventionsphasen unverändert. Für die beobachteten protektiven Effekte scheinen die phenolischen Substanzen des Mehrfruchtsaftes verantwortlich zu sein, da in der Studie mit Kontrollsaft keine Reduktion von oxidativen Schäden nachgewiesen werden konnte. Der ME zeigte eine ausgeprägte antioxidative Kapazität (4,64 mM Trolox) im zellfreien Testsystem. Der zelluläre ROS-Level wurde in vitro durch den Extrakt (bei 100-250 µg/mL) signifikant verringert (p< 0,05). Oxidative DNA-Schäden in Jurkat-/Caco-2-Zellen wurden durch den Extrakt nicht signifikant vermindert; es zeigte sich lediglich die Tendenz einer protektiven Wirkung (bei 10 µg/mL). Von den vergleichend in Jurkat-Zellen getesteten Anthocyanidinen zeigten Malvidin und Delphinidin nach 24 h Inkubation kein Potenzial zur Verringerung von DNA-Schäden. Bei einstündiger Antioxidansbehandlung dagegen, konnte ein einheitlicher Trend einer protektiven Modulation (bei 10-100 µM) beobachtet werden. Zusammenfassend besitzt der flavonoid/polyphenolreiche rote Mischfruchtsaft ein eindeutiges Potential zur Verringerung oxidativer Zellschädigung in gesunden Probanden. Dieses geht, begründet aus den Ergebnissen der Saft-/Kontrollsaftstudie, vermutlich auf die phenolische Fraktion des Saftes zurück. Aufgrund der in vitro erhaltenen Daten kann die antioxidative Wirksamkeit jedoch nicht maßgeblich auf die untersuchte Substanzgruppe der Anthocyane zurückgeführt werden. Dies legt nahe, dass auch bisher nicht charakterisierte Substanzen/Stoffgruppen einen Beitrag zu der antioxidativen Wirksamkeit leisten.
Epidemiologische Studien geben Hinweise, dass eine obst- und gemüsereiche Kost präventiv gegen verschiedene ROS-assoziierte Krankheiten wirksam ist. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Nahrungsmitteln ist schwer zu erfassen, welche Inhaltsstoffe für die Wirksamkeit maßgeblich sind. Phenolische Apfelsaftextrakte (AEs) aus Säften unterschiedlicher Apfelsorten und ein Tresterextrakt (APE03) wurden auf ihr Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in Darmzellen untersucht. Ein zweistufiges Inkubationsprotokoll kam in humanen Kolonzelllinien (Caco-2, HT29) zur Anwendung: basierend auf einer 24 h Behandlung mit phenolischem Antioxidans, gefolgt von einer Induktion von oxidativem Stress (durch Menadion, 1 h bzw. tert-Butylhydroperoxid, 40 min), um eine pathologische in vivo Situation nachzustellen. Die Apfelsaftextrakte wurden im Vergleich zu als Antioxidanzien beschriebenen Saftinhaltsstoffen (Rutin, Phloridzin, Epicatechin, Kaffeesäure, Chlorogensäure) und zu entsprechenden rekonstituierten Mischungen (rAEs) geprüft. Untersuchte Parameter waren (oxidative) DNA-Schädigung, zellulärer ROS-Level und Glutathionspiegel. Zusätzlich wurden antioxidative Kapazität und die Stabilität der Einzelstoffe unter Inkubationsbedingungen erfasst. Die Apfelsaftextrakte zeigten eine ausgeprägte antioxidative Kapazität (3.6-4.2 mM Trolox), der Tresterextrakt APE03 war dabei wirksamer als die drei Saftextrakte. Die höheren TEAC-Werte der entsprechenden rAEs (4.7-7.3 mM Trolox) deuten auf eine zentrale Rolle der Einzelstoffe in der Mischung hin. Der zelluläre ROS-Level wurde durch die Extrakte AE01, AE02 und APE03 (1-100 µg/mL) und rAEs (0.5-50 µg/mL) in beiden Zelllinien signifikant verringert. AE04 war nur in HT29 Zellen wirksam. Oxidative DNA-Schäden in Caco-2 Zellen wurden durch die Extrakte (50-100 µg/mL) und deutlicher durch die rekonstituierten Mischungen (1 µg/mL) von AE01 und APE03 verringert. Von den Saftinhaltsstoffen zeigten Kaffeesäure und Rutin das höchste Potenzial zur Verringerung von DNA-Schäden; der zelluläre ROS-Level wurde am effektivsten durch Kaffeesäure und Chlorogensäure verringert. Der Glutathionspiegel von Caco-2 Zellen wurde durch AE02 und APE03 sowie durch Kaffeesäure, nicht jedoch durch andere Einzelstoffe oder Mischungen erhöht. Die Aglyka Quercetin und Phloretin, die aus Glykosiden im Intestinaltrakt freigesetzt werden können, wiesen in allen Endpunkten die höchste Wirksamkeit auf. Humane primäre Kolonzellen erwiesen sich in den Untersuchungen als ein weniger geeignetes Modellsystem, möglicherweise aufgrund der Art der gewählten Inkubation. Insgesamt erwiesen sich die phenolischen Apfelsaftextrakte als wirksame Antioxidanzien mit hohem Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in humanen Kolonzelllinien. Mit den begleitenden Untersuchungen von Mischungen und Einzelstoffen wurden Polyphenole (Kaffeesäure, Rutin, Chlorogensäure) identifiziert, die wesentlich zur protektiven Wirkung der Saftextrakte beitragen. Der gewählte in vitro-Prüfansatz erwies sich dabei als geeignet zur Charakterisierung der antioxidativen Wirksamkeit von Apfelsaftinhaltsstoffen in Darmzellen. Die antioxidative Wirksamkeit kann nicht alleine auf die untersuchten Hauptkomponenten zurückgeführt werden. Es liegt nahe, dass auch bisher nicht charakterisierte Substanzen/ Substanzgruppen ebenfalls einen Beitrag an der antioxidativen Wirksamkeit leisten. Eine möglichst umfassende Charaktersisierung von Apfelsaftinhaltsstoffen ist notwendig, gerade im Hinblick auf eine mögliche Prävention von Darmerkrankungen durch die Aufnahme von Apfelsaft.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Verbesserungspotentiale von Ottomotoren mit besonderer Berücksichtigung von Verbrauch und Drehmoment mit Hilfe der Motorprozeßrechnung untersucht. Insbesondere wurden die Zusammenhänge von Ursache und Wirkung einzelner Verbesserungsmaßnahmen herausgestellt. Zur Modellierung realer Motoren wurde die Simulationssoftware GT-Power verwendet, wobei die Regelung über Matlab/Simulink vorgenommen wurde. Aber auch mit vereinfachten Rechenmodellen, die unter dem Fortran-Programm VOMO oder der Rapid-Prototype-Software ASCET-SD erstellt wurden, waren aussagekräftige Motormodelle erstellt und Potentiale abgeleitet worden. Wenn das Auslassventil öffnet, geht dem Arbeitsprozeß in der Hochdruckschleife ein nicht unerheblicher Anteil an Abgasenergie verloren. Rechnungen zeigen ein hohes Potential zur Wirkungsgradsteigerung, wenn das Abgas bis zum Umgebungsdruck entspannt werden könnte. Die zur vollständigen Abgasexpansion notwendigen Expansionsverhältnisse lassen jedoch einen sinnvollen Motorbetrieb nicht zu. Eine realistischere Abschätzung mit einem vorgegeben Expansionsverhältnis von 20 zeigt immer noch ein theoretisches Wirkungsgradpotential von 7 bis 10%. Der drosselgesteuerte Ottomotor hat stets den Nachteil von hohen Pumpverlusten während des Ladungswechsels in der Teillast. Hier gibt es verschiedene Ansätze, diese Verluste zu minimieren. Benzin-Direkt-Einspritzung nutzt das Verfahren einer Verbrennung mit sehr hohem Luftüberschuss und erreicht dadurch nahezu eine vollständige Entdrosselung des Motors. Das Problem ist hierbei jedoch der erhöhte Mehraufwand zur Abgasnachbehandlung. Eine andere Möglichkeit, die selbe Wirkung der Entdrosselung zu erzielen, ist, den Motor mit sehr hohem Überschuss an Restgas zu betreiben. Der Vorteil gegenüber BDE ist, dass die Verbrennung konventionell mit Lambda=1 ablaufen kann. Die sehr hohe AGR-Rate, die hierfür notwendig ist, reduziert NOx gleichermaßen auf ein Minimum. Die hohen AGR-Mengen können durch einen variablen Ventiltrieb mit geeigneten Steuerzeiten bereit gestellt werden. Simulationen zeigen, dass in Teillastpunkten bei 60% AGR der Kraftstoffverbrauch um bis zu 20% verringert werden kann. Die Aufladung nimmt bei Ottomotoren einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Der freisaugende Motor hat jedoch immer noch einige Vorteile, was Vollastverbrauch, transienten Hochlauf und Katalysator Light-off angeht. Mit einer variablen Saugrohrgeometrie, gepaart mit einem variablem Einlassventil, ist es möglich, in einem weiten Drehzahlbereich den Luftaufwand zu verbessern. Simulationen zeigen, dass bei optimaler Auslegung der Saugrohrlänge Luftaufwände von 110% erreicht werden können. Überlagert man hierbei noch ein variables Einlassventil, bringt dies darüber hinaus weitere Vorteile im Bereich des Anfahrdrehmomentes des Motors. Downsizing-Konzepte sind die konsequente Umsetzung turboaufgeladener Motoren zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Die Kombination von Abgasturboaufladung, BDE und variabler Einlassnockenwelle wurde an einem hubraumkleinen Forschungsmotor getestet und nachgebildet. Bei früher Phasenstellung war es möglich, das Drehmoment um 50% zu steigern. In diesen Betriebspunkten mit extrem hoher Ventilüberschneidung kommt es jedoch auch zu einem unerwünscht hohen Anteil von Überspülen von Frischluft, was zur Verminderung des Fanggrades führt. Die Abgaszusammensetzung ist hier charakterisiert durch Auftreten über- und unterstöchiometrischer Bereiche, bedingt durch Überspülen einerseits und fetter Verbrennung andererseits. Gelänge die vollständige Oxidation der unverbrannten Komponenten vor der Abgasturbine, könnte das Drehmoment um 30% angehoben werden. Eine weitere Möglichkeit, das stationäre und das transiente Drehmoment ottoaufgeladener Motoren zu verbessern, ist die Unterstützung durch einen elektrisch angetriebenen zusätzlichen Verdichter. Experimentelle Untersuchungen mit einem 14V betriebenen Zusatzverdichter im Fahrzeug dienten als Basis, um rechnerische Optimierungspotentiale herauszuarbeiten. Eine Strombegrenzung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erscheint sinnvoll, um die Belastung auf den Motor und das Bordnetz zu minimieren. Stromstärken zwischen 120 und 180A und kurzzeitige Leistungsanforderungen von 1,5 bis 2,4kW sind ausreichend, um einen transienten Hochlauf innerhalb 1 sec zu gewähren. Der Einfluss unterschiedlicher Verdichterradwerkstoffe spielt hierbei nur eine untergeordnete Rolle auf die Dynamik des Systems.