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In this thesis we consider the problem of maximizing the growth rate with proportional and fixed costs in a framework with one bond and one stock, which is modeled as a jump diffusion with compound Poisson jumps. Following the approach from [1], we prove that in this framework it is optimal for an investor to follow a CB-strategy. The boundaries depend only on the parameters of the underlying stock and bond. Now it is natural to ask for the investor who follows a CB-strategy which is given by the stopping times \((\tau_i)_{i\in\mathbb N}\) and impulses \((\eta_i)_{i\in\mathbb N}\) how often he has to rebalance. In other words we want to obtain the limit of the inter trading times
\[
\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(\tau_{i+1}-\tau_{i}).
\]
We are able to obtain this limit which is given by the expected first exit time of the risky fraction process from some interval under the invariant measure of the Markov chain \((\eta_i)_{i\in\mathbb N}\) using the Ergodic Theorem from von Neumann and Birkhoff. In general, it is difficult to obtain the expectation of the first exit time for the process with jumps. Because of the jump part, when the process crosses the boundaries of the interval an overshoot may occur which makes it difficult to obtain the distribution. Nevertheless we can obtain the first exit time if the process has only negative jumps using scale functions. The main difficulty of this approach is that the scale functions are known only up to their Laplace transforms. In [2] and [3] the closed-form expression for the scale function of the Levy process with phase-type distributed jumps is obtained. Phase-type distributions build a rich class of positive-valued distributions: the exponential, hyperexponential, Erlang, hyper-Erlang and Coxian distributions. Since the scale function is given as a function in a closed form we can differentiate to obtain the expected first exit time using the fluctuation identities explicitly.
[1] Irle, A. and Sass,J.: Optimal portfolio policies under fixed and proportional transaction costs, Advances in Applied Probability 38, 916-942.
[2] Egami, M., Yamazaki, K.: On scale functions of spectrally negative Levy processes with phase-type jumps, working paper, July 3.
[3]Egami, M., Yamazaki, K.: Precautionary measures for credit risk management in jump models, working paper, June 17.
Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Nanorezeptoren basierend auf Goldnanopartikeln unter Verwendung von reversiblen Ligandenaustauschreaktionen. Dabei sollte überprüft werden, ob Templateffekte geeigneter Substrate für die Synthese bzw. Optimierung der Bindungseigenschaften dieser Rezeptoren ausgenutzt werden können. Als Modellsystem wurde ein literaturbekannter Flavinrezeptor gewählt, der als Grundlage für die ersten Untersuchungen diente. Die Bindung von Flavin an diesen Rezeptor erfolgt zum einen an eine Diaminopyridineinheit durch Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Zum anderen ermöglicht eine Pyreneinheit die Ausbildung von π-π-Wechselwirkungen zu Flavin. Hierbei wurden zunächst über einen zweistufigen Syntheseweg drei verschieden Flavinrezeptoren hergestellt, die sich in der Länge der passivierenden Alkythiole unterschieden. Die Oberflächenzusammensetzung dieser drei Rezeptoren unterschied sich dabei vor allem in der Anzahl der gebunden Pyreneinheiten, die mit zunehmender Kettenlänge der Alkylthiole sank. Im Gegenzug stieg die Anzahl der gebundenen Alkylthiole. Die Charakterisierung der Flavinaffinität dieser Rezeptoren zeigte eine Zunahme der Bindungskonstanten mit zunehmender Anzahl an gebundenen Pyren-Liganden. Die funktionellen Einheiten dieser Flavinrezeptoren stellten die Grundlage für die systematische Entwicklung eines Verfahrens zur Synthese von funktionalisierten Goldnanopartikeln durch eine einstufige Ligandenaustauschreaktion dar. Als Ausgangsverbindungen wurden Alkylthiol-geschützte Goldnanopartikel verwendet. Neben den Diaminopyridin- und Pyren-Liganden wurden weitere funktionalisierte Liganden hergestellt und in den Ligandenaustauschreaktionen eingesetzt. Außerdem wurden weitere Template dargestellt und deren Einfluss auf die Ligandenaustauschreaktion untersucht. Die systematische Variation der Reaktionsbedingungen bzw. der Struktur der Liganden und Template ergab, dass u. A. die Zugabe von Flavin während der Austauschreaktion eine Veränderung in der Oberflächenzusammensetzung bewirkt. Diese äußert sich in einer Abnahme der gebundenen Diaminopyridinliganden und einer Zunahme der gebundenen Pyrenliganden. Außerdem besitzen die Nanopartikel, die in Gegenwart von Flavin synthetisiert wurden, eine deutlich höhere Substrataffinität als solche, bei denen Flavin während der Synthese abwesend war. Weitere Arbeiten zur Synthese zur Variation der Ligandenstruktur und/oder Templatstruktur wurden durchgeführt. Zusammengenommen geben diese Ergebnisse starke Hinweise darauf, dass die Synthese von auf Goldnanopartikeln-basierten Rezeptoren und die Optimierung ihrer Bindungseigenschaften durch Templat-kontrollierte Ligandenaustauschreaktionen möglich ist.
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.
This thesis deals with the relationship between no-arbitrage and (strictly) consistent price processes for a financial market with proportional transaction costs
in a discrete time model. The exact mathematical statement behind this relationship is formulated in the so-called Fundamental Theorem of Asset Pricing (FTAP). Among the many proofs of the FTAP without transaction costs there
is also an economic intuitive utility-based approach. It relies on the economic
intuitive fact that the investor can maximize his expected utility from terminal
wealth. This approach is rather constructive since the equivalent martingale measure is then given by the marginal utility evaluated at the optimal terminal payoff.
However, in the presence of proportional transaction costs such a utility-based approach for the existence of consistent price processes is missing in the literature. So far, rather deep methods from functional analysis or from the theory of random sets have been used to show the FTAP under proportional transaction costs.
For the sake of existence of a utility-maximizing payoff we first concentrate on a generic single-period model with only one risky asset. The marignal utility evaluated at the optimal terminal payoff yields the first component of a
consistent price process. The second component is given by the bid-ask prices
depending on the investors optimal action. Even more is true: nearby this consistent price process there are many strictly consistent price processes. Their exact structure allows us to apply this utility-maximizing argument in a multi-period model. In a backwards induction we adapt the given bid-ask prices in such a way so that the strictly consistent price processes found from maximizing utility can be extended to terminal time. In addition possible arbitrage opportunities of the 2nd kind vanish which can present for the original bid-ask process. The notion of arbitrage opportunities of the 2nd kind has been so
far investigated only in models with strict costs in every state. In our model
transaction costs need not be present in every state.
For a model with finitely many risky assets a similar idea is applicable. However, in the single-period case we need to develop new methods compared
to the single-period case with only one risky asset. There are mainly two reasons
for that. Firstly, it is not at all obvious how to get a consistent price process
from the utility-maximizing payoff, since the consistent price process has to be
found for all assets simultaneously. Secondly, we need to show directly that the
so-called vector space property for null payoffs implies the robust no-arbitrage condition. Once this step is accomplished we can à priori use prices with a
smaller spread than the original ones so that the consistent price process found
from the utility-maximizing payoff is strictly consistent for the original prices.
To make the results applicable for the multi-period case we assume that the prices are given by compact and convex random sets. Then the multi-period case is similar to the case with only one risky asset but more demanding with regard to technical questions.
Molybdänoxobisperoxokomplexe von Pryrazolylpryridinliganden sind Katalysatoren für die Epoxidierung von Olefinen (Alkenen). Bereits in früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe Thiel zeigte sich, dass das Verhältnis der beiden Isomere der Komplexe (Isomer A: Pyrazolring in trans-Position zur Oxogruppe und Isomer B: Pyridinring in trans-Position zur Oxogruppe) in Lösung vom Substitutionsmuster am Pyrazolring abhängt. Außerdem konnte eine Abhängigkeit der turn-over-Frequenz (TOF, katalytische Aktivität) bei der Epoxidierung vom Isomerenverhältnis A:B der Komplexe beobachtet werden. Spektroskopische und theoretische Betrachtungen der Arbeitsgruppe Thiel führten zu einer näheren Aufklärung des Katalysemechanismuses. Die Ursachen für die Korrelation der TOF und des Isomerenverhältnisses von den elektronischen Eigenschaften der Substituenten am Pyrazolring konnten aber nicht gefunden werden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb eine nähere Betrachtung der elektronischen Verhältnisse in Molybdänoxobisperoxokomplexen von Pyrazolylpyridinen. Dazu wurde eine kombinierte experimentelle und elektronische Ladungsdichtestudie in Zusammenarbeit mit dem AK Scherer der Universität Augsburg durchgeführt, um die Beziehung zwischen Ligandstruktur und den beobachteten katalytischen Aktivitäten näher zu untersuchen. Aus den Untersuchungen konnten eine Reihe wichtiger Erkenntnisse über die Ausprägung elektronenreicher und –armer Positionen in den Komplexen gewonnen werden, die Rückschlüsse auf Reaktionswege und Aktivitäten zulassen. Unteranderem konnte eine gute Erklärung für die Abhängigkeit des Isomerenverhältnisses in Lösung vom Substitutionsmuster am Pyrazolring abgeleitet werden. Eine schlüssige Erklärung für die Abhängigkeit der TOF bei der Epoxidierung ließ sich daraus jedoch nicht entnehmen. In diesem Zusammenhang konnte aber eine bisher angenommene mögliche Erklärung für diese Beobachtung, durch eine 195Pt-NMR-Studie an Pyrazolylpyridindichloroplatin(II)komplexen untermauert werden. Die Lage des Signals für das Platinzentralatom war in den 195Pt-NMR-Spektren verschiedener Platinkomplexe mit unterschiedlich substituierten Pyrazolylpyridinliganden unterschiedlich. Es konnte eine Korrelation zwischen der Lage des Signals und den elektronischen Eigenschaften der Substituenten aufgestellt werden, die erkennen lässt, dass das Metallzentrum von den elektronenziehenden oder –schiebenden Substituenten am Pyrazolring beeinflusst wird. Diese Erkenntnis bestärkt die bisherige Annahme, dass eine mögliche Ursache für die Abhängigkeit der TOF bei der molybdänkatalysierten Epoxidierung, die Beeinflussung der Lewisazidität des Molybdänzentrums durch die Substituenten am Pyrazolring ist. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit, neben der Synthese einer Vielzahl an Pyrazolylpyridinliganden und den entsprechenden Molybdän(VI)oxobisperoxo- und Dichloroplatin(II)komplexen, verschieden substituierte Pyridinylpyrimidine und 4,4‘-Bipyrimidine synthetisiert.
Die über mehr als 100 Jahre gewachsenen komplexen Strukturen der Wasserver- und Abwasserentsorgungssysteme müssen sich zunehmend neuen Herausforderungen stellen. Die Forderung nach einer Anpassung hin zu flexiblen und nachhaltigen Systemen bedingt einen hohen Neu- und Umbaubedarf im Bestand. Als Alternativen und Ergänzung bestehender Systeme werden neben einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung auch Neuartige Sanitärsysteme diskutiert. Eine Umstellung bestehender Systeme auf Siedlungsebene findet hierbei allerdings äußert selten statt. Hierfür ist die Erarbeitung von Umgestaltungsstrategien erforderlich, um finanzielle Mittel und ökologischen Nutzen zu optimieren.
In dieser Arbeit wird ein multi-kriterielles lineares Optimierungsmodell genutzt, in dem Methoden der Projektplanungs- und Netzwerkflussprobleme verknüpft werden. Als wesentliche Nebenbedingung wird die Einhaltung der Funktionsfähigkeit der sich wandelnden Systeme und als Zielfunktionen werden ökonomische und ökologische Kosten eingeführt. Lösungen des formulierten mathematischen Problems sind Pareto-optimale funktionsfähige und zulässige Strategien der weitreichenden Integration einer ressourcenorientierten Abwasserbewirtschaftung. Als Ergebnis liegt ein Instrument vor, dass die Entscheidungsfindung zur Umgestaltung von bestehenden siedlungswasserwirtschaftlichen Infrastrukturen unterstützt und mögliche Kosten und Folgewirkungen zeitlich und räumlich differenziert aufzeigen kann.
Das Optimierungsmodell wurde an zwei Untersuchungsgebieten angewandt und optimale Umgestaltungsstrategien zu unterschiedlichen nachhaltigen Zielzuständen analysiert sowie eine Sensitivitätsanalyse bezüglich wichtiger Optimierungsparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die generelle Umsetzbarkeit einer weitreichenden Teilstromseparation gewährleistet ist, wenn neue Elemente zur Bewirtschaftung, Behandlung und Ableitung zeitlich optimiert integriert werden. Mögliche Umgestaltungen werden keine linearen Anpassungen an Zielwerte, Veränderungen von Umweltauswirkungen oder Kostenflüsse verursachen. Es ergeben sich vielmehr über den Umsetzungszeitraum veränderliche Verläufe, die je nach Zielgewichtung von ökonomischen und ökologischen Kosten große Wirkungen zu Beginn oder zum Ende der Betrachtungsdauer zeigen. Vor allem die Gewichtung der beiden Kosten und die Auswahl der zu minimierenden ökologischen Kriterien haben einen großen Einfluss auf die gefundenen Umgestaltungsstrategien. Die jeweiligen Empfehlungen zum Umgestaltungszeitraum, der Zielgewichtung und zur allgemeinen Vorgabe der Optimierungskriterien leiten sich vor allem aus der Veranlassung für eine Systemumgestaltung ab. Die für den spezifischen Anwendungsfall optimale Umgestaltungsstrategie kann sich nur durch Diskussion mit den Entscheidungsträgern vor Ort ergeben. Das Modell hat sich hierbei als sehr gut geeignetes Werkzeug zur Analyse der Systeme herausgestellt.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Erweiterung derzeitiger Bewertungsmethoden hin zu Methoden, die zeitlich und räumlich differenzierte Aussagen für den ökologischen und ökonomischen Zustand ermöglichen, erforderlich ist. Die alleinige Planung und Betrachtung des zukünftigen Systemzustandes ist nicht ausreichend zur Beurteilung der Wirkungen einer weitreichenden Implementierung ressourcenorientierter Abwasserbewirtschaftung.
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.
This thesis addresses challenges faced by small package shipping companies and investigates the integration of 1) service consistency and driver knowledge aspects and 2) the utilization of electric vehicles into the route planning of small package shippers. We use Operations Research models and solution methods to gain insights into the newly arising problems and thus support managerial decisions concerning these issues.
Due to their N-glycosidase activity, ribosome-inactivating proteins (RIPs) are attractive candidates as antitumor and antiviral agents in medical and biological research. In the present study, we have successfully cloned two different truncated gelonins into pET-28a(+) vectors and expressed intact recombinant gelonin (rGel), recombinant C-terminally truncated gelonin (rC3-gelonin) and recombinant N- and C-terminally truncated gelonin (rN34C3-gelonin). Biological experiments showed that all these recombinant gelonins have no inhibiting effect on MCF-7 cell lines. These data suggest that the truncated-gelonins are still having a specific structure that does not allow for internalization into cells. Further, truncation of gelonin leads to partial or complete loss of N-glycosidase as well as DNase activity compared to intact rGel. Our data suggest that C-and N-terminal amino acid residues are involved in the catalytic and cytotoxic activities of rGel. In addition, the intact gelonin should be selected as a toxin in the immunoconjugate rather than truncated gelonin.
In the second part, an immunotoxin composed of gelonin, a basic protein of 30 kDa isolated from the Indian plant Gelonium multiflorum and the cytotoxic drug MTX has been studied as a potential tool of gelonin delivery into the cytoplasm of cells. Results of many experiments showed that, on the average, about 5 molecules of MTX were coupled to one molecule of gelonin. The MTX-gelonin conjugate is able to reduce the viability of MCF-7 cell in a dose-dependent manner (ID50, 10 nM) as shown by MTT assay and significantly induce direct and oxidative DNA damage as shown by the alkaline comet assay. However, in-vitro translation toxicity MTX-gelonin conjugates have IC50, 50.5 ng/ml which is less toxic than that of gelonin alone IC50, 4.6 ng/ml. It can be concluded that the positive charge plays an important role in the N-glycosidase activity of gelonin. Furthermore, conjugation of MTX with gelonin through α- and γ- carboxyl groups leads to the partial loss of its anti-folate activity compared to free MTX. These results, taken together, indicate that conjugation of MTX to gelonin permits delivery of the gelonin into the cytoplasm of cancer cells and exerts a measurable toxic effect.
In the third part, we have isolated and characterized two ribosome-inactivating proteins (RIPs) type I, gelonin and GAP31, from seeds of Gelonium multiflorum. Both proteins exhibit RNA-N-glycosidase activity. The amino acid sequences of gelonin and GAP31 were identified by MALDI and ESI mass spectrometry. Gelonin and GAP31 peptides - obtained by proteolytic digestion (trypsin and Arg-C) - are consistent with the amino acid sequence published by Rosenblum and Huang, respectively. Further structural characterization of gelonin and GAP31 (tryptic and Arg-C peptide mapping) showed that the two RIPs have 96% similarity in their sequence. Thus, these two proteins are most probably isoforms arisen from the same gene by alternative splicing. The ESI-MS analysis of gelonin and GAP31 exhibited at least three different post-translational modified forms. A standard plant paucidomannosidic N-glycosylation pattern (GlcNAc2Man2-5Xyl0-1 and GlcNAc2Man6-12Fuc1-2Xyl0-2) was identified using electrospray ionization MS for gelonin on N196 and GAP31 on N189, respectively. Based on these results, both proteins are located in the vacuoles of Gelonium multiflorum seeds.
Phosphane nehmen eine herausragende Stellung als Liganden in der homogen Katalyse ein. In der Arbeitsgruppe Thiel wurde kürzlich ein neuartiges Verfahren zur Synthese von Triarylphosphanen entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit stand daher die Weiterentwicklung dieser fluoridkatalysierten Phosphor-Aryl-Kupplung im Mittelpunkt. Ein wichtiges Ziel hierbei war die Übertragung der Reaktionen in einen größeren Maßstab. In einem Ansatz konnte 1 kg an (4-[3-(N,N-Dimethylamino)prop-2-en-1-onyl]phen-yl)diphenylphosphan in einer Pilotanlage synthetisiert werden. Diese Verbindung diente als „Plattformchemikalie“ und ermöglichte die Synthese weiterer Pyrazol- und Pyrimidinderviate. Insbesondere gelang davon ausgehend die Synthese von Verbindungen, die mit einem Sulfonsäure- oder Hydroxamsäurelinker modifiziert sind.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Prinzip der fluoridkatalysierten Phosphor-Aryl-Kupplung auf Amine übertragen. Die Motivation dafür ergab sich aus dem Vorkommen des N-Arylheterocyclen-Strukturmotivs in vielen Pharmazeutika. Eine entsprechende Erweiterung der Anwendungsbreite dieses Verfahrens sollte sich daher positiv auf die Vermarktungschancen auswirken. Ausgehend von Versuchen mit Trimethylsilylimidazol und Trimethylsilylpyrrolidin wurde eine milde und allgemein anwendbare Methode für die Synthese von N-Arylaminen entwickelt. Hierbei liegt der Vorteil insbesondere darin, dass auf den stöchiometrischen Einsatz von Basen verzichtet werden kann.
Der Hauptteil der Arbeit beschäftigte sich mit der Immobilisierung von phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylphosphankomplexen auf Metalloxiden. Die Immobilisierung von homogenen Katalysatoren auf festen Trägermaterialien bietet großes Potential, um das Problem der Katalysatorabtrennung zu lösen. Der für die Immobilisierung benötigte Ligand 3-[4-(Diphenylphosphanyl)benzoylamino]propyl-1-phosphonsäurediethylester konnte über eine konvergente Synthese mit sieben Schritten synthetisiert werden. Ausgehend von diesem Liganden und dem entsprechenden Phosphonsäurederivat wurden Palladium- und Rhodiumkomplexe synthetisiert. Diese Komplexe wurden auf Titandioxid, Zirconiumdioxid und superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikeln immobilisiert. Durch IR-Spektroskopie, thermogravimetrische Analyse und Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie konnte die Anbindung des jeweiligen Komplexes auf dem Trägermaterial belegt werden. Die erhaltenen Hybridmaterialien wurden erfolgreich für die Suzuki-Miyaura-Kupplung und die Hydrierung von Alkenen eingesetzt. Dabei konnten die Katalysatoren mehrfach wiederverwendet werden und zeigten eine gute Aktivität und Anwendungsbreite.
The scientific intention of this work was to synthesize and characterize new bidentate, tridentate and multidentate ligands and to apply them in heterogenous catalysis. For each type of the ligands, new methods of synthesis were developed. Starting from 1,1'-(pyridine-2,6-diyl)diethanone and dimethylpyridine-2,6-dicarboxylate different bispyrazolpyridines were
synthesized and novel ruthenium complexes of the type (L)(NNN)RuCl2 could be obtained. The complexes with L = triphenylphosphine turned out to be highly efficient
catalyst precursors for the transfer hydrogenation of aromatic ketones. Introduction of a butyl group in the 5-positions of the pyrazoles leads to a pronounced increase of catalytic activity.
To find a method for the synthesis of bispyrimidinepyridines, different reactants and condition were applied and it was found that these tridentate ligands can be obtained by mixing and grinding the tetraketone with guanidinium carbonate and silica, which plays the role of a catalyst in this ring closing reaction.
The bidentate 2-amino-4-(2-pyridinyl)pyrimidines were synthesized from different substrates according to the desired substituent on the pyrimidine ring.
Reacting these bidentate ligands with the ruthenium(II) precursor [(η6-cymene)Ru(Cl)(μ
2-Cl)]2 gave cationic ruthenium(II) complexes of the type [(η6-cymene)Ru(Cl)(adpm)]Cl (adpm = chelating 2-amino-4-(2-yridinyl)pyrimidine ligand). Stirring the freshly prepared complexes with either NaBPh4, NaBF4 or KPF6, the chloride anion was exchanged against other coordinating anions (BF4-, PF6-, BPh4-).Some of these ruthenium complexes have shown very special activities in the transfer hydrogenation of ketones by reacting them in the absence of the base. This led to detailed investigations on the mechanism of this reaction. According to the activities and with the help
of ESI-MS experiments and DFT calculations, a mechanism was proposed for the transfer hydrogenation of acetophenone in the absence of the base. It shows that in the absence of the base, a C-H bond activation at the pyrimidine ring should occur to activate the catalyst.
The palladium complexes of bidentate N,N ligands were examined in coupling reactions. As expected, they did not show very special activities.
Multidentate ligands, having pyrimidine groups as relatively soft donors for late transition metals and simultaneously possessing a binding position for a hard Lewis-acid, could be obtained using the new synthesized bidentate and tridentate ligands.
Die Arbeit zielt im Wesentlichen auf die Berücksichtigung der aus technischen Anlagen resultierenden Risiken in der räumlichen Planung durch Vorsorge ab und verbindet diese Elemente mit der inhaltlichen, sachlichen sowie zeitlichen Steuerung räumlicher Nutzungsentwicklung
hinsichtlich ihrer Ordnung und Entwicklung auf strategischer und operativer Planungsebene. Die Thematisierung des Risikos wird anhand der verwendeten Konzepte in der Risikoforschung,
der Analyse und der Bewältigung von Risiken durchgeführt. Im Folgenden wird die Relevanz
technischer Risiken als integrativer Bestandteil der Raumplanung und in diesem Zusammenhang
als eine zu bewältigende Aufgabe im Rahmen der Stadtplanung und Stadtentwicklung
dargestellt.
Dies wird durch die synoptische Zusammenstellung der historischen Stadtentwicklung und der
Ausformung technischer Risiken sowie durch ihre Bewältigung im Sinne räumlicher Risikovorsorge
anhand der Darstellung bestimmter Entwicklungslinien und Leitbilder verdeutlicht. Diese führen in eine Zusammenstellung planerischer Grundkonstellationen über, die im Wesentlichen
auf den entwicklungsbedingt unterschiedlichen Konstellationen risikobezogener Nachbarschaften
unverträglicher Nutzungen beruhen und einer vorsorgebezogen- räumlichen Bewältigung
bedürfen.
Die Fokussierung auf rechtliche Rahmenbedingungen spannt den Bogen zur normativen Umsetzung
räumlicher Risikovorsorge und ihren differenzierten Ausprägungen im Raumplanungsund
Umweltrecht. Als besonders belangvoll werden dabei die europarechtlichen Vorgaben des
Land Use Planning im Art. 12 der Richtlinie 96/82/EG – Seveso II- Richtlinie und ihre Übertragungen
auf nationalstaatlicher Ebene dargestellt und die Umsetzungsgrenzen diskutiert.
Die konzeptionelle Realisierung des Schutzes vor den Auswirkungen technischer Risiken wird anhand der Leitfadenerstellung der Kommission für Anlagensicherheit (KAS) zur Umsetzung räumlicher Risikovorsorge durch langfristige Schaffung und die dauerhafte Sicherung von Abständen zwischen Betriebsbereichen der Störfall- Verordnung sowie schutzbedürftigen Gebieten
im Rahmen der Bauleitplanung dargestellt.
Auf dieser Basis wird eine Modellentwicklung räumlicher Vorsorge auf überörtlicher und örtlicher Ebene durchgeführt. Diese bildet die strategischen und operativen Vorsorgeelemente auf die Ebenen der Standort-, Abstands- sowie Entwicklungsplanung ab. Die Umsetzung auf instrumenteller
Ebene erfolgt durch die Verbindung der entwickelten Modellelemente auf
raumordnerischer sowie bauleitplanerischer Ebene mit den raumrelevanten Erfordernissen
räumlicher Risikovorsorge im planerischen Störfallschutz.
Dies betrifft nicht nur Neuplanungen, sondern insbesondere die Beachtung der Anforderungen
bei Entwicklungen im Siedlungsbestand hinsichtlich der Abbildung privater und öffentlicher
Aspekte des planerischen Störfallschutzes. Die heterogene Entwicklung und Vorsorge von Betriebsstandorten
und Siedlungen werden dabei hinsichtlich ihrer risikovorsorgebezogenen
Adaptionsfähigkeit überprüft. Dies schließt im Weiteren auch eine Betrachtung und Überprüfung instrumenteller Ausgestaltungsmöglichkeiten und ihrer Alternativen unter raum- und stadtplanerischen Gesichtspunkten mit in die Überlegungen ein.
Dealing with information in modern times involves users to cope with hundreds of thousands of documents, such as articles, emails, Web pages, or News feeds.
Above all information sources, the World Wide Web presents information seekers with great challenges.
It offers more text in natural language than one is capable to read.
The key idea for this research intends to provide users with adaptable filtering techniques, supporting them in filtering out the specific information items they need.
Its realization focuses on developing an Information Extraction system,
which adapts to a domain of concern, by interpreting the contained formalized knowledge.
Utilizing the Resource Description Framework (RDF), which is the Semantic Web's formal language for exchanging information,
allows extending information extractors to incorporate the given domain knowledge.
Because of this, formal information items from the RDF source can be recognized in the text.
The application of RDF allows a further investigation of operations on recognized information items, such as disambiguating and rating the relevance of these.
Switching between different RDF sources allows changing the application scope of the Information Extraction system from one domain of concern to another.
An RDF-based Information Extraction system can be triggered to extract specific kinds of information entities by providing it with formal RDF queries in terms of the SPARQL query language.
Representing extracted information in RDF extends the coverage of the Semantic Web's information degree and provides a formal view on a text from the perspective of the RDF source.
In detail, this work presents the extension of existing Information Extraction approaches by incorporating the graph-based nature of RDF.
Hereby, the pre-processing of RDF sources allows extracting statistical information models dedicated to support specific information extractors.
These information extractors refine standard extraction tasks, such as the Named Entity Recognition, by using the information provided by the pre-processed models.
The post-processing of extracted information items enables representing these results in RDF format or lists, which can now be ranked or filtered by relevance.
Post-processing also comprises the enrichment of originating natural language text sources with extracted information items by using annotations in RDFa format.
The results of this research extend the state-of-the-art of the Semantic Web.
This work contributes approaches for computing customizable and adaptable RDF views on the natural language content of Web pages.
Finally, due to the formal nature of RDF, machines can interpret these views allowing developers to process the contained information in a variety of applications.
Diese Dissertation besteht aus zwei aktuellen Themen im Bereich Finanzmathematik, die voneinander unabhängig sind.
Beim ersten Thema, "Flexible Algorithmen zur Bewertung komplexer Optionen mit mehreren Eigenschaften mittels der funktionalen Programmiersprache Haskell", handelt es sich um ein interdisziplinäres Projekt, in dem eine wissenschaftliche Brücke zwischen der Optionsbewertung und der funktionalen Programmierung geschlagen wurde.
Im diesem Projekt wurde eine funktionale Bibliothek zur Konstruktion von Optionen
entworfen, in dem es eine Reihe von grundlegenden Konstruktoren gibt, mit denen
man verschiedene Optionen kombinieren kann. Im Rahmen der funktionalen Bibliothek
wurde ein allgemeiner Algorithmus entwickelt, durch den die aus den Konstruktoren
kombinierten Optionen bewertet werden können.
Der mathematische Aspekt des Projekts besteht in der Entwicklung eines neuen Konzeptes zur Bewertung der Optionen. Dieses Konzept basiert auf dem Binomialmodell, welches in den letzten Jahren eine weite Verbreitung im Forschungsgebiet der Optionsbewertung fand. Der kerne Algorithmus des Konzeptes ist eine Kombination von mehreren
sorgfältig ausgewählten numerischen Methoden in Bezug auf den Binomialbaum. Diese
Kombination ist nicht trivial, sondern entwikelt sich nach bestimmten Regeln und ist eng mit den grundlegenden Konstruktoren verknüpft.
Ein wichtiger Charakterzug des Projekts ist die funktionale Denkweise. D. h. der Algorithmus ließ sich mithilfe einer funktionalen Programmiersprache formulieren. In unserem Projekt wurde Haskell verwendet.
Das zweite Thema, Monte-Carlo-Simulation des Deltas und (Cross-)Gammas von
Bermuda-Swaptions im LIBOR-Marktmodell, bezieht sich auf ein zentrales Problem der
Finanzmathematik, nämlich die Bestimmung der Risikoparameter komplexer Zinsderivate.
In dieser Arbeit wurde die numerische Berechnung des Delta-Vektors einer Bermuda-
Swaption ausführlich untersucht und die neue Herausforderung, die Gamma-Matrix einer Bermuda-Swaption exakt simulieren, erfolgreich gemeistert. Die beiden Risikoparameter spielen bei Handelsstrategien in Form des Delta-Hedgings und Gamma-Hedgings eine entscheidende Rolle. Das zugrunde liegende Zinsstrukturmodell ist das LIBORMarktmodell, welches in den letzten Jahren eine auffällige Entwicklung in der Finanzmathematik gemacht hat. Bei der Simulation und Anwendung des LIBOR-Marktmodells fällt die Monte-Carlo-Simulation ins Gewicht.
Für die Berechung des Delta-Vektors einer Bermuda-Swaption wurden drei klassische und drei von uns entwickelte numerische Methoden vorgestellt und gegenübergestellt, welche fast alle vorhandenen Arten der Monte-Carlo-Simulation zur Berechnung des Delta-Vektors einer Bermuda-Swaption enthalten.
Darüber hinaus gibt es in der Arbeit noch zwei neu entwickelte Methoden, um die Gamma-Matrix einer Bermuda-Swaption exakt zu berechnen, was völlig neu im Forschungsgebiet der Computational-Finance ist. Eine ist die modifizierte Finite-Differenzen-Methode. Die andere ist die reine Pathwise-Methode, die auf pfadweiser Differentialrechnung basiert und einem robusten und erwartungstreuen Simulationsverfahren entspricht.
Rd. 30 % bis 40 % des durchschnittlichen Trinkwasserverbrauchs in deutschen Haushalten entfällt auf die Toilettenspülung. Das dabei anfallende Abwasser, das sogenannte Schwarzwasser, enthält neben dem Spülwasser die Fäkalien Urin und Fäzes sowie Toilettenpapier. Es ist durch eine vergleichsweise hohe organische Verschmutzung sowie sehr hohe Gehalte an Nährstoffen gekennzeichnet. Aufbauend auf dem Grundgedanken, den häuslichen Schmutzwasserkreislauf zu schließen, um den Bedarf an hochwertigem Trinkwasser nachhaltig zu senken, wurde in der vorliegenden Arbeit die Anwendung des Belebungsverfahrens zur biologischen Behandlung von Toilettenabwasser erforscht.
Um den mangelnden Kenntnisstand hinsichtlich der Schwarzwasserzusammensetzung zu verbessern, wurde zunächst die Quantität und chemisch-physikalische Qualität von Schwarzwasser an drei unterschiedlichen Versuchsstandorten mit unterschiedlicher Nutzung (Wohnen, Arbeitsplatz) eingehend untersucht. Hierdurch konnten eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zur Charakteristik von Schwarzwasser gewonnen werden und spezifische Frachten für Parameter CSB, BSB5, TKN, Pges und AFS abgeleitet werden. Mit den erarbeiteten Kennwerten wird eine deutlich verbesserte und durch die umfangreichen Messungen abgesicherte Datengrundlage zur Abschätzung des Nutzungspotenzials von Schwarzwasser und zur Bemessung von Schwarzwasserbehandlungsanlagen möglich.
Im Hinblick auf die Erforschung der Eliminationsmechanismen der im Schwarzwasser enthal-tenen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen unter Betriebsbedingungen wurden zwei Versuchsanlagen (SBR, MBR) an den drei Versuchsstandorten betrieben. Neben der biologischen Behandlung von Roh-Schwarzwasser und von mechanisch gereinigtem Schwarzwasser wurde die biologische Behandlung von Schwarzwasser bei Kreislaufführung untersucht.
Es wurde festgestellt, dass Schwarzwasser nach biologischer Behandlung sehr hohe Gehalte an gelöst inertem CSB aufweist. Zudem wurde ein Zusammenhang zwischen der Schwarzwasserquelle und den erreichbaren Rest-CSB-Gehalten abgeleitet. Demnach ist der bei maximalem biologischem Reinigungseffekt erreichbare CSB-Gehalt für Schwarzwasser häuslicher Herkunft etwa doppelt so hoch wie bei Schwarzwasser gewerblicher Herkunft.
Mit Hilfe von Sauerstoffzehrungsmessungen, die durch Substratzehrungsmessungen ergänzt wurden, wurden abschließend kinetische und stöchiometrische Parameter des heterotrophen und autotrophen Stoffwechsels sowie die CSB-Fraktionen von Schwarzwasser experimentell ermittelt. Die Versuche wurden unter Verwendung von mechanisch gereinigtem Schwarzwasser und SBR-Belebtschlamm durchgeführt, welcher zwei verschiedene Schlammalter aufwies. Hierdurch konnte der Einfluss der Betriebsparameter Schlammalter und Schlammbelastung auf den Stoffwechsel der jeweils gewachsenen Schwarzwasser-Belebtschlammbiozönose ermittelt werden. Bei der Fraktionierung der organischen Verbindungen konnte u.a. ein Zusammenhang zwischen den abbaubaren CSB-Fraktionen und dem Schlammalter abgeleitet werden. Die in den Praxisversuchen gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der Rest-CSB-Gehalte konnten damit bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass bei der aeroben biologischen Behandlung von Schwarzwasser eine Entkopplung von Ammonium- und Nitritoxidation auftritt. Zur Bestimmung der kinetischen und stöchiometrischen Kenngrößen der Nitrifikation wurde zudem eine modifizierte Methode vorgestellt, die es erlaubt die momentane Nitritations- und Nitratationsrate in einem Versuch zu ermitteln. In stickstoffhaltigen Abwässern oder bei hohen Abwassertemperaturen liefert die Methode einen vertiefenden Einblick in die Prozesse der Nitrifikation und wird daher zur weiteren Umsetzung empfohlen.
The goal of this thesis is to find ways to improve the analysis of hyperspectral Terahertz images. Although it would be desirable to have methods that can be applied on all spectral areas, this is impossible. Depending on the spectroscopic technique, the way the data is acquired differs as well as the characteristics that are to be detected. For these reasons, methods have to be developed or adapted to be especially suitable for the THz range and its applications. Among those are particularly the security sector and the pharmaceutical industry.
Due to the fact that in many applications the volume of spectra to be organized is high, manual data processing is difficult. Especially in hyperspectral imaging, the literature is concerned with various forms of data organization such as feature reduction and classification. In all these methods, the amount of necessary influence of the user should be minimized on the one hand and on the other hand the adaption to the specific application should be maximized.
Therefore, this work aims at automatically segmenting or clustering THz-TDS data. To achieve this, we propose a course of action that makes the methods adaptable to different kinds of measurements and applications. State of the art methods will be analyzed and supplemented where necessary, improvements and new methods will be proposed. This course of action includes preprocessing methods to make the data comparable. Furthermore, feature reduction that represents chemical content in about 20 channels instead of the initial hundreds will be presented. Finally the data will be segmented by efficient hierarchical clustering schemes. Various application examples will be shown.
Further work should include a final classification of the detected segments. It is not discussed here as it strongly depends on specific applications.
Synthese, Charakterisierung und katalytische Eigenschaften von metallsubstituierten Alumophosphaten
(2012)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Alumophosphate sowohl mit sauren Eigenschaften als auch solche mit oxidierendem Charakter herzustellen. Die katalytischen Zentren wurden durch den Einbau von Metallen in das Alumophosphat-Gitter erzeugt. Dies erfolgte durch die Zugabe von Metallsalzen zum Synthesegel der zu synthesierenden Alumophosphate. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Metalle Mg, Co, Zn, Mn, Cr, V und Ti gerichtet. Der Einbau der Metalle erfolgte an 10-Ring und 12-Ring Alumophosphaten. Die metallhaltigen 10 Ring Alumophosphate mit AEL und ATO Strukturen und 12-Ring Alumophosphate der AFI, ATS und AFO-Topologie sollten anschließend mittels physikalisch-chemischer Methoden charakterisiert werden. Hierzu gehörten:
- Röntgen-Pulverdiffraktometrie,
- Temperaturprogrammierte Desorption (TPD),
- Stickstoff-Adsorption,
- UV/Vis-Spektroskopie,
- IR-Spektroskopie.
Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit stellte die Untersuchung der katalytischen Eigenschaften der hergestellten und charakterisierten Proben dar. Ausgewählte Cr-, V- und Ti-haltige Katalysatoren wurden in der Flüssigphasenoxidation von Cyclohexen mit wässriger Wasserstoffperoxid- oder tert-Butylhydroperoxid-Lösung (TBHP) getestet. Die eingesetzten metallhaltigen Alumophosphate wiesen eine katalytische Aktivität für die Cyclohexen-Oxidation bei 80 °C auf. Während der Reaktion entstanden 1,2-Cyclohexandiol, 2-Cyclohexenol, 2-Cyclohexenon, Cyclohexenoxid und Cyclohexandion als Hauptprodukte. Die aus technischen Gesichtspunkten interessante Adipinsäure konnte zu keinem Zeitpunkt beobachtet werden. Die Aktivität der eingesetzten Katalysatoren wird durch die unterschiedlichen in die Alumophosphate eingebauten Metalle beeinflusst. Auch die Topologie der hergestellten Materialien beeinflusste den Verlauf der Reaktion. Der Einsatz von TBHP und H2O2 als Oxidationsmittel führte teilweise zu einem unterschiedlichen Produktbild. Nach mehreren Stunden wurde eine Desaktivierung der Katalysatoren beobachtet. Durch eine erneute Kalzination der in der Katalyse einsetzen Proben konnte die Aktivität fast vollständig wieder hergestellt werden.
In der Disproportionierung von Ethylbenzol erwiesen sich die Co-, Mn-, Mg- und Zn-haltigen Alumophosphate als aktive Katalysatoren. Bei den Umsetzungen an Alumophosphaten mit unterschiedlichem Metallgehalt entstanden ortho-, meta- und para-Diethylbenzol als Hauptprodukte. Hierbei wiesen Mg-haltige Katalysatoren die höchste Aktivität auf. Bei einem Metallgehalt von nMg/nAl = 0,01 entstanden neben den bisher erwähnten Hauptprodukten auch Triethylbenzole. Die Aktivität der eingesetzten Alumophosphate nimmt in der Reihenfolge MgAPO > CoAPO > ZnAPO > MnAPO ab. Diese Reihenfolge steht im Einklang mit den Ergebnissen aus den Aciditäts-Untersuchungen mittels TPD. Die Porengeometrie der verwendeten Alumophosphate übt einen entscheidenden Einfluss auf das Produktbild aus. Weitporige Alumophosphate mit der AFI und ATS Topologie weisen die höchsten Umsätze an Ethylbenzol auf. Alumophosphate des AFO und AEL besitzen einen geringeren Porendurchmesser und zeigen eine geringere Aktivitat in der Disproportionierung von Ethylbenzol. Zudem treten wegen des geringeren Porendurchmessers formselektive Effekte auf. So wird das schlankere para-Diethylbenzol bevorzugt gebildet. Katalysatoren auf Basis des ATO Alumophosphates zeigten keine signifikante Aktivitat.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Verbesserungsmöglichkeiten der Mikro- und Ultrafiltration durch Ultraschall untersucht. Für die Analyse möglicher Mechanismen der Ultraschalleinkopplung, die zu einer Verbesserung der Membranfiltration führen könnten, wurden wichtige Erkenntnisse aus den beiden Technologiefeldern (Ultraschalltechnik und Membranfiltration) zusammengetragen. Für die Vielzahl der Ansätze zur Nutzung des Ultraschalls in der Membranfiltration wurde eine Systematik entwickelt. Zahlreiche Ansätze wurden in orientierenden Experimenten untersucht und bewertet. Ein wichtiger Aspekt bei der Bewertung der Methoden bestand in der Skalierbarkeit der Technologiekombinationen. Als Hauptakteure der Reinigungswirkung wurden gut sichtbare Bläschen in der Größenordnung von 10-500 µm identifiziert. Die erfolgreichste Methode stellt die durch Ultraschallreinigung unterstützte Rückspülung dar. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde eine Übertragung der Ultraschallreinigung auf ein handelsübliches Kapillarmembranmodul durchgeführt. Bei ersten Filtrationsversuchen mit natürlichem Oberflächenwasser konnten Schäden an der Membran festgestellt werden, die auf eine lokale Kavitationsstruktur an der Ankopplungsstelle des Ultraschallwandlers zurückzuführen waren. Bei geringeren Ultraschallleistungen und bei der Nutzung höherer Frequenzen traten keine Schäden an der Membran auf. Im Vergleich zu einem Referenzmodul konnten deutliche Verbesserungen durch die Einkopplung des Ultraschalls an verschiedenen Stoffsystemen nachgewiesen werden. Die Arbeit schließt mit Vorschlägen für Membranmodule mit integriertem Leistungsultraschall, die aus technischer Sicht empfehlenswert erscheinen.
Mechanisms underlying the biological effects of coffee and its constituents are incompletely understood. Many effects have been attributed solely to caffeine, neglecting that coffee is a mixture of many chemical substances. Some authors suggest that the main mechanism of action of caffeine is to antagonize adenosine receptors (AR); a second effect is the inhibition of phosphodiesterases with the subsequent accumulation of cAMP and an intensification of the effects of catecholamines. Although the inhibition of phosphodiesterases may contribute to the actions of caffeine, there is growing evidence that most pharmacological effects of this xanthine result from antagonism of AR.
One of the main objectives of this work was to investigate whether substances other than caffeine in coffee may influence the homeostasis of intracellular cyclic nucleotides in vitro and in vivo. The influence of selected coffee compounds, extracts and brews on key elements involved in the adenosine receptor-mediated signaling pathway have been investigated.
A further aim of this work was also to determine if coffee or some coffee constituents may have a stimulatory effect on the cellular heme oxygenase activity (HO-activity). Two coffee extracts, a slightly (AB1) and an intensively roasted coffee (AB2), were studied along with selected individual compounds. Caffeine and low substituted pyrazines showed no effect on the HO-activity, while NMP, pyrazines with a greater substitution pattern such as Tetramethylpyrazine (TMP) and 2-Ethyl-3,5(6)-dimethylpyrazine (2-E-3,5-DMP) and both coffee extracts significantly induced the HO-activity in liver hepatocellular carcinoma (HepG2), intestinal colo-rectal adenocarcinoma (Caco-2) and in some instances in monocytic leukemia (MM6) cells.
It was found that caffeine, theophylline, coffee extracts from conventional or functional coffees, pyrazines (2,3-DE-6-MP, 2-Isobutyl-3-methoxyP), 5-CQA and caffeic acid all significantly inhibited the basal cytoplasmatic PDE activity in lysates of lung tumour xenograft cells (LXFL529L) and human platelets. To a somewhat lesser extent, PDE inhibition was also found in experiments performed with paraxanthine and other pyrazines (2-E-3,5-DMP, TMP and 2-E-5-MP). Thus the degree of roasting has a considerable impact on constituents of influence for PDE activity. Caffeine, coffee polyphenols and some pyrazines and further, as yet unknown roasting products appear to represent the main modulating constituents.
In two coffee intervention studies, a short-term (8 weeks) and a long-term study (24 weeks), comprising 8 and 84 healthy volunteers respectively, we examined extracellular key elements of the adenosine pathway including plasma adenosine levels and adenosine deaminase activity. Additionally, we studied the intracellular cAMP concentration and the PDE activity in platelets as surrogate biomarkers of adipocytes.
Results of in vitro experiments had suggested that the concentrations of caffeine and coffee extracts required to obtain a half maximal inhibition were in the upper range of physiological conditions. Yet, it was demonstrated for the first time in vivo that moderate consumption of coffee can modulate the activity of platelet phosphodiesterases in humans in long and short term. In both studies, the first exposure to coffee showed a strong inhibition (p<0.001) of the PDE activity in the platelet lysates of the participants while the second coffee phase showed no or a slight effect when compared with the first coffee intervention.
In both studies a significant increase (p<0.001) in intraplatelet cAMP concentrations during the wash-out phase (after the first coffee phase) was observed. This response could be due to inhibition of the PDE activity in the previously phase extending in to the wash out phase. However, the behavior of cAMP in the following study phases cannot be easily explained. It may be hypothesized that this effect is attributable to adaptive effects to allow PDE inhibition. One possibility is the modulation of the expression of membrane-bound adenosine receptors in platelet precursors, which still have a nucleus. This may potentially influence adenylate cyclase activity in mature platelets. For the observed effects, in addition to caffeine other ingredients of coffee appear to play a role. The findings suggest that monitoring of cAMP homeostasis in platelets is not a useful surrogate biomarker for effects in other tissues.
Neither the activity of adenosine deaminase nor the adenosine concentrations in plasma were markedly modulated by the coffee consumption in both trials. This may reflect the fact that adenosine is subject to quick and effective enzymatic turnover by phosphorylation (adenosine kinase) or deamination (adenosine deaminase) allowing keep its concentration within a well balanced homeostasis. However, it is also well known, that considerable variability exists in the responses to coffee drinking. In part, such variability is due to caffeine tolerance, but there is also evidence for a genetic background.
Altogether the data reported here provide further evidence for the perception that coffee consumption is associated with beneficial health effects demonstrated for the cAMP enhancement in platelets, known to counteract platelet aggregation. The effects observed for the influence of cellular heme oxygenase (HO) are in line with the well documented antioxidative activity of coffee and its constituents.
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.