We present a numerical scheme to simulate a moving rigid body with arbitrary shape suspended in a rarefied gas micro flows, in view of applications to complex computations of moving structures in micro or vacuum systems. The rarefied gas is simulated by solving the Boltzmann equation using a DSMC particle method. The motion of the rigid body is governed by the Newton-Euler equations, where the force and the torque on the rigid body is computed from the momentum transfer of the gas molecules colliding with the body. The resulting motion of the rigid body affects in turn again the gas flow in the surroundings. This means that a two-way coupling has been modeled. We validate the scheme by performing various numerical experiments in 1-, 2- and 3-dimensional computational domains. We have presented 1-dimensional actuator problem, 2-dimensional cavity driven flow problem, Brownian diffusion of a spherical particle both with translational and rotational motions, and finally thermophoresis on a spherical particles. We compare the numerical results obtained from the numerical simulations with the existing theories in each test examples.
The present research combines different paradigm in the area of visual perception of letter and words. These experiments aimed to understand the deficit underlying the problem associated with the faulty visual processing of letters and words. The present work summarizes the findings from two different types of population: (1) Dyslexics (reading-disabled children) and (2) Illiterates (adults who cannot read). In order to compare the results, comparisons were made between literate and illiterate group; dyslexics and control group (normal reading children). Differences for Even related potentials (ERP’s) between dyslexics and control children were made using mental rotation task for letters. According to the ERP’s, the effect of the mental rotation task of letter perception resulted as a delayed positive component and the component becomes less positive when the task becomes more difficult (Rotation related Negativity – RRN). The component was absent for dyslexics and present for controls. Dyslexics also showed some late effects in comparison to control children and this could be interpreted as problems at the decision stage where they are confused as to the letter is normal or mirrored. Dyslexics also have problems in responding to the letters having visual or phonological similarities (e.g. b vs d, p vs q). Visually similar letters were used to compare dyslexics and controls on a symmetry generalization task in two different contrast conditions (low and high). Dyslexics showed a similar pattern of response, and were overall slower in responding to the task compared to controls. The results were interpreted within the framework of the Functional Coordination Deficit (Lachmann, 2002). Dyslexics also showed delayed response in responding to the word recognition task during motion. Using red background decreases the Magnocellular pathway (M-pathway) activity, making more difficult to identify letters and this effect was worse for dyslexics because their M-pathway is weaker. In dyslexics, the M-pathway is worse; using a red background decreases the M activity and increases the difficulty in identifying lexical task in motion. This effect generated worse response to red compared to the green background. The reaction times with red were longer than those with green background. Further, Illiterates showed an analytic approach to responding to letters as well as on shapes. The analytic approach does not result from an individual capability to read, but is a primary base of visual organization or perception.
Real-time systems are systems that have to react correctly to stimuli from the environment within given timing constraints.
Today, real-time systems are employed everywhere in industry, not only in safety-critical systems but also in, e.g., communication, entertainment, and multimedia systems.
With the advent of multicore platforms, new challenges on the efficient exploitation of real-time systems have arisen:
First, there is the need for effective scheduling algorithms that feature low overheads to improve the use of the computational resources of real-time systems.
The goal of these algorithms is to ensure timely execution of tasks, i.e., to provide runtime guarantees.
Additionally, many systems require their scheduling algorithm to flexibly react to unforeseen events.
Second, the inherent parallelism of multicore systems leads to contention for shared hardware resources and complicates system analysis.
At any time, multiple applications run with varying resource requirements and compete for the scarce resources of the system.
As a result, there is a need for an adaptive resource management.
Achieving and implementing an effective and efficient resource management is a challenging task.
The main goal of resource management is to guarantee a minimum resource availability to real-time applications.
A further goal is to fulfill global optimization objectives, e.g., maximization of the global system performance, or the user perceived quality of service.
In this thesis, we derive methods based on the slot shifting algorithm.
Slot shifting provides flexible scheduling of time-constrained applications and can react to unforeseen events in time-triggered systems.
For this reason, we aim at designing slot shifting based algorithms targeted for multicore systems to tackle the aforementioned challenges.
The main contribution of this thesis is to present two global slot shifting algorithms targeted for multicore systems.
Additionally, we extend slot shifting algorithms to improve their runtime behavior, or to handle non-preemptive firm aperiodic tasks.
In a variety of experiments, the effectiveness and efficiency of the algorithms are evaluated and confirmed.
Finally, the thesis presents an implementation of a slot-shifting-based logic into a resource management framework for multicore systems.
Thus, the thesis closes the circle and successfully bridges the gap between real-time scheduling theory and real-world implementations.
We prove applicability of the slot shifting algorithm to effectively and efficiently perform adaptive resource management on multicore systems.
Der Energiebedarf von Mobilbaggern während des Betriebs hängt neben dem kundenspezifischen Einsatz unter anderem stark vom verwendeten hydraulischen Systemkonzept ab. Durch die sukzessive Weiterentwicklung der Komponenten und hydraulischen Systeme existiert dazu mittlerweile eine Vielzahl an verschiedenen Konzepten und Teillösungen, mit denen die Energieeffizienz der Maschine gesteigert werden kann. Jedoch handelt es sich oftmals um eine komplexe Aufgabe, aus den vorhandenen Einzellösungen ein für den Kunden verbrauchsoptimales Gesamtsystemkonzept zu erstellen. Um dies zu erleichtern, ist eine Unterstützung des Konzeptauswahlprozesses mittels hydraulischer Systemsimulationen möglich, sodass der Energieverbrauch verschiedener Konzepte und Konzeptkombinationen im Gesamtsystemzusammenhang schon frühzeitig im Produktentwicklungsprozess abgeschätzt werden kann.
Um dies effizient durchzuführen, wird in dieser Arbeit ein methodischer Ansatz entwickelt, mit dem ein Vergleich verschiedener hydraulischer Konzepte modellgestützt durchgeführt werden kann. Im Fokus stehen dabei die Entwicklung eines modular aufgebauten Simulationsmodells für eine vereinfachte Implementierung von Konzepten in ein Gesamtsystemmodell sowie die Einbindung eines variablen, kundenspezifischen Nutzungsprofils in den Bewertungsprozess.
Dazu wird zunächst auf die Modellerstellung und Modularisierung eingegangen und die Validierung und Verifikation des Modells beschrieben. Im Anschluss werden exemplarische Konzepte vorgestellt, die durch eine Bewertung unter Berücksichtigung des realen Einsatzes beim Kunden hinsichtlich ihres Energieverbrauchs miteinander verglichen werden.
Specification of asynchronous circuit behaviour becomes more complex as the
complexity of today’s System-On-a-Chip (SOC) design increases. This also causes
the Signal Transition Graphs (STGs) – interpreted Petri nets for the specification
of asynchronous circuit behaviour – to become bigger and more complex, which
makes it more difficult, sometimes even impossible, to synthesize an asynchronous
circuit from an STG with a tool like petrify [CKK+96] or CASCADE [BEW00].
It has, therefore, been suggested to decompose the STG as a first step; this
leads to a modular implementation [KWVB03] [KVWB05], which can reduce syn-
thesis effort by possibly avoiding state explosion or by allowing the use of library
elements. A decomposition approach for STGs was presented in [VW02] [KKT93]
[Chu87a]. The decomposition algorithm by Vogler and Wollowski [VW02] is based
on that of Chu [Chu87a] but is much more generally applicable than the one in
[KKT93] [Chu87a], and its correctness has been proved formally in [VW02].
This dissertation begins with Petri net background described in chapter 2.
It starts with a class of Petri nets called a place/transition (P/T) nets. Then
STGs, the subclass of P/T nets, is viewed. Background in net decomposition
is presented in chapter 3. It begins with the structural decomposition of P/T
nets for analysis purposes – liveness and boundedness of the net. Then STG
decomposition for synthesis from [VW02] is described.
The decomposition method from [VW02] still could be improved to deal with
STGs from real applications and to give better decomposition results. Some
improvements for [VW02] to improve decomposition result and increase algorithm
efficiency are discussed in chapter 4. These improvement ideas are suggested in
[KVWB04] and some of them are have been proved formally in [VK04].
The decomposition method from [VW02] is based on net reduction to find
an output block component. A large amount of work has to be done to reduce
an initial specification until the final component is found. This reduction is not
always possible, which causes input initially classified as irrelevant to become
relevant input for the component. But under certain conditions (e.g. if structural
auto-conflicts turn out to be non-dynamic) some of them could be reclassified as
irrelevant. If this is not done, the specifications become unnecessarily large, which
intern leads to unnecessarily large implemented circuits. Instead of reduction, a
new approach, presented in chapter 5, decomposes the original net into structural
components first. An initial output block component is found by composing the
structural components. Then, a final output block component is obtained by net
reduction.
As we cope with the structure of a net most of the time, it would be useful
to have a structural abstraction of the net. A structural abstraction algorithm
[Kan03] is presented in chapter 6. It can improve the performance in finding an
output block component in most of the cases [War05] [Taw04]. Also, the structure
net is in most cases smaller than the net itself. This increases the efficiency of the
decomposition algorithm because it allows the transitions contained in a node of
the structure graph to be contracted at the same time if the structure graph is
used as internal representation of the net.
Chapter 7 discusses the application of STG decomposition in asynchronous
circuit design. Application to speed independent circuits is discussed first. Af-
ter that 3D circuits synthesized from extended burst mode (XBM) specifications
are discussed. An algorithm for translating STG specifications to XBM specifi-
cations was first suggested by [BEW99]. This algorithm first derives the state
machine from the STG specification, then translates the state machine to XBM
specification. An XBM specification, though it is a state machine, allows some
concurrency. These concurrencies can be translated directly, without deriving
all of the possible states. An algorithm which directly translates STG to XBM
specifications, is presented in chapter 7.3.1. Finally DESI, a tool to decompose
STGs and its decomposition results are presented.
In automotive testrigs we apply load time series to components such that the outcome is as close as possible to some reference data. The testing procedure should in general be less expensive and at the same time take less time for testing. In my thesis, I propose a testrig damage optimization problem (WSDP). This approach improves upon the testrig stress optimization problem (TSOP) used as a state of the art by industry experts.
In both (TSOP) and (WSDP), we optimize the load time series for a given testrig configuration. As the name suggests, in (TSOP) the reference data is the stress time series. The detailed behaviour of the stresses as functions of time are sometimes not the most important topic. Instead the damage potential of the stress signals are considered. Since damage is not part of the objectives in the (TSOP) the total damage computed from the optimized load time series is not optimal with respect to the reference damage. Additionally, the load time series obtained is as long as the reference stress time series and the total damage computation needs cycle counting algorithms and Goodmann corrections. The use of cycle counting algorithms makes the computation of damage from load time series non-differentiable.
To overcome the issues discussed in the previous paragraph this thesis uses block loads for the load time series. Using of block loads makes the damage differentiable with respect to the load time series. Additionally, in some special cases it is shown that damage is convex when block loads are used and no cycle counting algorithms are required. Using load time series with block loads enables us to use damage in the objective function of the (WSDP).
During every iteration of the (WSDP), we have to find the maximum total damage over all plane angles. The first attempt at solving the (WSDP) uses discretization of the interval for plane angle to find the maximum total damage at each iteration. This is shown to give unreliable results and makes maximum total damage function non-differentiable with respect to the plane angle. To overcome this, damage function for a given surface stress tensor due to a block load is remodelled by Gaussian functions. The parameters for the new model are derived.
When we model the damage by Gaussian function, the total damage is computed as a sum of Gaussian functions. The plane with the maximum damage is similar to the modes of the Gaussian Mixture Models (GMM), the difference being that the Gaussian functions used in GMM are probability density functions which is not the case in the damage approximation presented in this work. We derive conditions for a single maximum for Gaussian functions, similar to the ones given for the unimodality of GMM by Aprausheva et al. in [1].
By using the conditions for a single maximum we give a clustering algorithm that merges the Gaussian functions in the sum as clusters. Each cluster obtained through clustering is such that it has a single maximum in the absence of other Gaussian functions of the sum. The approximate point of the maximum of each cluster is used as the starting point for a fixed point equation on the original damage function to get the actual maximum total damage at each iteration.
We implement the method for the (TSOP) and the two methods (with discretization and with clustering) for (WSDP) on two example problems. The results obtained from the (WSDP) using discretization is shown to be better than the results obtained from the (TSOP). Furthermore we show that, (WSDP) using clustering approach to finding the maximum total damage, takes less number of iterations and is more reliable than using discretization.
In seiner Entwicklungsgeschichte hat der stationäre Einzelhandel eine enorme Wandlungsfähigkeit bewiesen. Dieser hat er es zu verdanken, dass er bis heute eine zentrale Funktion der Innenstadt darstellt. Allerdings wird die Stabilität der innerstädtischen Einzelhandelslagen seit einigen Jahren zunehmend auf die Probe gestellt. Mit dem Online-Handel als sich etablierenden neuen Absatzkanal mit wachsenden Umsatz- und Nutzerzahlen, bekommen die innerstädtischen Einzelhandelslagen einerseits deutliche Konkurrenz. So eignet sich das innerstädtische Sortiment besonders gut für den Online-Vertrieb. Umsatzeinbußen in den lokalen Geschäften, Geschäftsaufgaben, Ladenverkleinerungen, Leerstände sowie eine Abwertung der innerstädtischen Einzelhandelslagen sind die Folgen. Andererseits stellen der Online-Handel sowie einkaufsunterstützende digitale Medien eine Chance dar, die innerstädtischen Einzelhandelslagen für das digitale Zeitalter zu qualifizieren und hiermit zukunftsfähig zu halten. Zentrale Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang den Konsumenten zu. Die innerstädtischen Einzelhandelslagen müssen an die, u.a. aus den Einfluss digitaler Medien im Allgemeinen und dem Online-Handel im Besonderen, resultierenden veränderten Bedürfnisse und Anforderungen der Konsumenten angepasst werden, wenn sie keinen Attraktivitätsverlust erleiden sollen. Eine schwierige Aufgabe, zeichnet sich doch das Kauf- und Konsumverhalten der ‚Neuen Konsumenten‘ durch Hybridität bzw. Multioptionalität aus. Diese macht ständige Neuausrichtungen und Anpassungen der Einzelhandelsbetriebe und Unternehmen erforderlich, welche durch die gestiegene Informiertheit, die höhere Anspruchshaltung, die Sprunghaftigkeit und Spontanität der Konsumenten sowie ihre abnehmende Loyalität mit den Anbietern erschwert werden.
Insgesamt ist davon auszugehen, dass zukünftig – abhängig von ihrer Lokalisierung in räumlich und strukturell begünstigten oder benachteiligten Städten – unterschiedliche Herausforderungen auf die innerstädtischen Einzelhandelslagen zukommen werden. Unter benachteiligte Städte werden strukturschwache Kommunen mit negativer Bevölkerungsentwicklung, geringer Zentralität und geringer wirtschaftlicher Anziehungskraft für das Umland gefasst, während sich begünstigte Städte durch wirtschaftliche Prosperität, Zentralität und Bevölkerungswachstum auszeichnen. Während innerstädtische Einzelhandelslagen in benachteiligten Städten vor allem negative Folgen zu erwarten haben und folglich akuter Handlungsbedarf besteht, können innerstädtische Einzelhandelslagen in räumlich-strukturell begünstigten Städten i.d.R. von der Digitalisierung und dem veränderten Kauf- und Konsumverhalten der Konsumenten profitieren. Zentrale Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang den charakteristischen Merkmalen einer Innenstadt zu. Sie zeichnet sich im Idealfall durch Zentralität, Bedeutungsüberschuss, Dichte und Nutzungsmischung, eine hohe Besucherfrequenz sowie einen hohen Identifikationsgrad bzw. Authentizität aus. Diese Standortvorteile verhelfen innerstädtischen Einzelhandelslagen in begünstigten Städten zu einem Alleinstellungsmerkmal gegenüber konkurrierenden lokalen Einzelhandelsstandorten sowie gegenüber dem Online-Handel. So gewinnen Atmosphäre und zentrales Erleben bei Konsumenten, die das Internet nutzen, an Bedeutung. Qualitativ hochwertige innerstädtische Einzelhandelslagen erlangen somit eine neue Anziehungskraft.
Handlungsbedarf besteht folglich vor allem in den räumlich-strukturell benachteiligten Städten. Aber auch die begünstigen Städte brauchen Unterstützung, um die innerstädtischen Einzelhandelslagen den Bedürfnissen der Konsumenten nach Erlebnis, Bequemlichkeit, Individualität, Flexibilität, Schnelligkeit etc. entsprechend zu gestalten sowie die Voraussetzungen für den Einsatz einkaufsunterstützender digitaler Medien zu schaffen.
Als Modellansatz sind drei Strategieansätze im Rahmen eines integrierten Gesamtkonzepts umzusetzen:
1. Befähigende Ansätze: Hierzu zählt einerseits die Schaffung der technischen Rahmenbedingungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit, funktioneller Zuverlässigkeit, Sicherheit und Nutzerfreundlichkeit der technischen Infrastruktur und der digitalen Medien. Konkret sind der Ausbau flächendeckender Breitbandverbindungen und eines frei zugänglichen WLAN-Netzes in den Innenstädten sowie der Einsatz von elektronischer Authentisierung und biometrischen Verifikationssystemen anzuraten. Andererseits gilt es, die Medienkompetenz der Einzelhändler und der Konsumenten für den Umgang und die Nutzung digitaler Medien zu schulen. Die Nutzerfreundlichkeit muss durch eine qualitätvolle HCI (Human Computer Interaction) sowie den Einsatz von Feature based visualization verbessert werden. Weiterhin ist die Nutzung von Multi-Channel-Retailing, der Verknüpfung des stationären Handels mit dem Online-Handel, zu unterstützen.
2. Steuernde Ansätze: Vor dem Hintergrund des engen finanziellen Gestaltungsspielraums der Mehrheit der Kommunen sollten die Städtebauförderprogramme und die Förderprogramme zur Breitbandförderung gezielt genutzt und weiterentwickelt werden. Weiterhin gilt es die Effektivität der Steuerung über die Stärkung gemeinschaftlichen Handelns zu verbessern. Es sind hierbei sowohl Kooperationen zwischen Kommunen, Handel und Eigentümern zu unterstützen als auch die Bevölkerung verstärkt in bedeutsame Umgestaltungsprozesse in der Innenstadt einzubinden.
3. Stärkende Ansätze: Unter dem Ansatz der Stärkung werden die Verbesserung der Aufenthaltsqualität sowie die Schaffung von Strukturen für eine zukunftsfähige Mobilität verstanden. Um die Aufenthaltsqualität und damit die Attraktivität der innerstädtischen Einzelhandelslagen zu erhöhen, muss frühzeitig ein angepasstes Leerstandsmanagement initiiert, Einkaufsbereiche konzentriert, eine attraktive Gestaltung und Möblierung unterstützt sowie die Innenstadt entsprechend ihrer besonderen Merkmale inszeniert werden. Eine zukunftsfähige Mobilität innerhalb der Innenstadt ist durch Maßnahmen zur Verbesserung der Erreichbarkeit der innerstädtischen Einzelhandelslagen sowie der Förderung zukunftsfähiger Mobilitätsformen zu unterstützen.
Insgesamt sollen besagte Strategieansätze dazu beitragen, die Voraussetzungen für die Digitalisierung des innerstädtischen Einzelhandels zu schaffen, die analysierten Restriktionen der Innenstadt abzumildern sowie die besonderen Potenziale der innerstädtischen Einzelhandelslagen im Sinne von Alleinstellungsmerkmalen hervorzuheben, um die innerstädtischen Einzelhan-delslagen für das digitale Zeitalter zu qualifizieren.
Durch das Entstehen von neuen Infektionskrankheiten und das Auftreten von Resistenzen können bisher verwendete Medikamente ihren pharmazeutischen Nutzen verlieren. Daher ist eine konstante Weiterentwicklung von bioaktiven Pharmazeutika lebensrettend. Viele pflanzli-che und mikrobielle Sekundärmetabolite besitzen gesundheitsfördernde Wirkungen und kön-nen als Ressourcen für die Entwicklung neuer Arzneimittel herangezogen werden. Da Pflan-zen und Mikroorganismen ein sehr umfangreiches Repertoire an pharmazeutisch-interessanten Intermediaten besitzen, soll im Rahmen dieser Arbeit die Produktbildung von pflanzlichen und mikrobiellen Sekundärmetaboliten vorgestellt werden, die für weiterführende medizinische Studien von Interesse sind.
Die in dieser Arbeit präsentierten mikrobiellen Sekundärmetabolite sind β-Lactam Antibiotika der Gruppe der OA-6129 und besitzen antibakterielle Eigenschaften gegen grampositive als auch gramnegative Mikroorganismen. Durch die Kultivierung des filamentösen Actinobakteri-ums Streptomyces fulvoviridis A933 17M9 1501 können diese sehr wirksamen Antibiotika gebildet werden. Für eine erfolgreiche Produktbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit ein zweistufiger Prozess im Bioreaktor etabliert, der sich über einen Zeitraum von neun Tagen erstreckt. Durch Optimierung und Variation des Mediums, sowie durch die Veränderung der Rührergeometrie, kann die maximale Antibiotikakonzentration um 385 % gesteigert werden.
Neben der zu optimierenden Produktbildung ist auch die Stabilität der Antibiotika im wässrigen Milieu von Interesse. Die Untersuchungen erfolgten am Produktanalogon Imipenem. Es zeig-te sich, dass durch Interaktionen der Imipenemmoleküle der Zerfall mit steigender Antibiotik-akonzentration beschleunigt wird. Ein dazugehöriger Zerfallsweg des Imipenems in deionisie-rem Wasser bei pH 7 konnte durch die Auswertung der HPLC und Massenspektrometrie-Analytik beschrieben werden. Bioaktive Zerfallsprodukte, wie das sehr aktive β-Lactam Thienamycin, können aus dieser Zerfallsreaktion resultieren. Auch im Fermenta¬tionsmedium kann ein konzentrationsabhängiger Zerfall nachgewiesen werden, was für eine wirtschaftli-che, fermentative Herstellung problematisch wäre. Durch die Verwendung von Morpholino-sulfonsäurepuffern ist eine Stabilisierung des Antibiotikums im Wasser und im Fermentati-onsmedium realisierbar. Eine Steigerung der Halbwertszeit von über dem 10fachen gegen-über einer reinen Imipenemlösung im Wasser kann durch die Verwendung dieser Puffersub-stanzen erzielt werden.
Bei den zweiten, in dieser Arbeit behandelten Sekundärmetaboliten, handelt es sich um die pflanzlichen Triterpene Oleanol- und Ursolsäure, von denen antibakterielle, antivirale, entzün-dungshemmende und Krebs vorbeugende Aktivitäten bekannt sind. Neben anderen Pflanzen bilden Spezies von Salbei und Basilikum diese interessanten Sekundärmetabolite. Da bei ei-ner Freilandkultivierung die Produktkonzentrationen jährlichen Schwankungen durch abioti-schen und biotischen Faktoren unterliegen, kann durch eine in situ Kultivierung eine reprodu-zierbare Produktbildung erzielt werden. Im Zuge der Arbeit wurden Kalluskulturen von Salvia officinalis und Ocimum basilicum in verschiedenen Reaktortypen und mit verschiedenen Pro-zessstrategien eingesetzt und betreffend ihrer Produktbildung untersucht. Eine Oleanol- und Ursolsäurebildung durch eine Kalluskultur von Ocimum basilicum konnte durch diese Arbeit zum ersten Mal präsentiert werden.
Im Vergleich zu Kultivierungen in Erlenmeyerkolben fördert eine Kultivierung im Wavebag-Reaktor das Wachstum und die Produktbildung, sodass die maximale Triterpenkonzentration um 210 % gesteigert werden kann. Durch Variation der batch-Prozessstrategie in ein repea-ted-batch-Verfahren kann eine signifikante Steigerung der Oleanolsäurebildung um das 16fache und der Ursolsäurebildung um das 35fache erzielt werden. Es wird angenommen, dass auftretende Substratlimitierung zu einer Steigerung der Produktbildung führt.
Durch eine nachfolgende Biotransformation ist es möglich, die beiden Triterpene zu modifizie-ren. Eine Derivatisierung kann neben einer Verbesserung der Wasserlöslichkeit der Triterpene auch in einer Erhöhung der pharmazeutisch-interessanten Aktivitäten resultieren. Aus diesem Grunde wurden neun Organismen betreffend ihrer biokatalytischen Aktivität untersucht. Mit-tels des Actinobakteriums Nocardia iowensis werden die Oleanol- und Ursolsäure zunächst in ihre korrespondierenden Methylester transformiert. Des Weiteren entstehen bei der Biotrans-formation von Oleanolsäure zwei weitere, bisher unbekannter Derivate, welche durch HPLC, HPLC-ESI-MS und HPLC-1H-NMR charakterisiert werden konnten. Anhand dieser Resultate kann ein neuer Biosyntheseweg für eine Oleanolsäuretransformation mittels Nocardia iowen-sis beschrieben werden.
Um die Abtrennung der Biotransformationskultur von Medium zu vereinfachen und die Wirt-schaftlichkeit zu fördern, kann N. iowensis in Natriumalginat immobilisiert werden. Während kein signifikanter Unterschied zwischen immobilisierten und freien Bakterienzellen betreffend der Substrataufnahme detektiert wird, wird durch die Immobilisierung die Produktbildung re-primiert. Dabei besitzt die Matrixdichte, die aus der Behandlung der Natriumalginatpartikel mit der Calciumchloridlösung resultiert, einen entscheidenden Einfluss auf die Biotransformati-onseffizienz.
Auch eine Zusammenführung von Pflanzenzellkultivierung und Biotransformation in einem Gesamtprozess wurde im Rahmen dieser Arbeit etabliert. Durch den direkten Einsatz der immobilisierten Biotransformationskultur im verdünnten Zelllysat umgeht man eine Aufarbei-tung der Produkttriterpene aus dem Pflanzenzelllysat, was die Wirtschaftlichkeit des Prozes-ses erheblich verbessert. Bis zu einem Mischverhältnis von 50 % Referenzmedium und Zell-lysat kann keine Inhibierung oder Reprimierung der Biotransformation durch vorhandene Pflanzenzellbestandteile, wie z. B. Phenolen, detektiert werden.
An efficient multiscale approach is established in order to compute the macroscopic response of nonlinear composites. The micro problem is rewritten in an integral form of the Lippmann-Schwinger type and solved efficiently by Fast Fourier Transforms. Using realistic microstructure models complex nonlinear effects are reproduced and validated with measured data of fiber reinforced plastics. The micro problem is integrated in a Finite Element framework which is used to solve the macroscale. The scale coupling technique and a consistent numerical algorithm is established. The method provides an efficient way to determine the macroscopic response considering arbitrary microstructures, constitutive behaviors and loading conditions.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden DFT Rechnungen zum mechanistischen Verständnis und zur rationalen Entwicklung homogenkatalytischer Reaktionen eingesetzt.
Im ersten Projekt konnten mit Hilfe von DFT Rechnungen effizientere Katalysatorsysteme für Protodecarboxylierungsreaktionen und decarboxylierende Kreuzkupplungen durch rationale Katalysatorentwicklung identifiziert werden. Hierzu wurde die Decarboxylierung von 2- und 4 Fluorbenzoesäure mit DFT Rechnungen untersucht. Zunächst sagten die Rechnungen keine deutlich erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten für Katalysatorsysteme bestehend aus Kupfer(I) und verschiedenen 4,7 disubstituierten 1,10 Phenanthrolinliganden voraus. Weitere Berechnungen prognostizierten hingegen stark erhöhte Effizienz für Silber-basierte Katalysatoren in der Decarboxylierung von ortho-substituierten Benzoesäuren. Tatsächlich konnte daraufhin für diese Carbonsäuren ein Katalysatorsystem bestehend aus AgOAc und K2CO3 in NMP entwickelt werden, welches die Protodecarboxylierung bereits bei 120 °C ermöglicht, 50 °C niedriger als die des Kupfer-basierten Systems.
Die Erkenntnisse ließen sich in der Arbeitsgruppe Gooßen weiterhin auf die decarboxylierende Kreuzkupplung übertragen. Es gelang die Entwicklung eines Ag/Pd-basierten Katalysatorsystems für die Biarylsynthese ausgehend von Benzoesäuren und Aryltriflaten bei Reaktionstemperaturen von nur 130 °C.
Im Folgenden war es möglich, durch den Einsatz von DFT Rechnungen den Reaktionsmechanismus der decarboxylierenden Kreuzkupplung aufzuklären und Voraussagen für ein effizienteres Cu/Pd-basiertes Katalysatorsystem zu treffen. Nachdem durch experimentelle Beobachtungen klar wurde, dass der Decarboxylierungsschritt nicht notwendigerweise geschwindigkeitsbestimmend sein muss, wurde der komplette Katalysezyklus der decarboxylierenden Kreuzkupplung eingehend mit Hilfe von DFT Rechnungen untersucht. In Abhängigkeit des Benzoats wurde die Decarboxylierung oder die Transmetallierung als geschwindigkeitsbestimmend identifiziert. Da in der Transmetallierung zunächst die Bildung eines bimetallischen Cu−Pd-Addukts erforderlich ist, wurde gefolgert, dass die Verwendung von verbrückenden, bidentaten Liganden die Reaktion begünstigen sollte. In der Tat konnte durch Einsatz eines P,N-Liganden eine Cu/Pd-katalysierte decarboxylierende Kreuzkupplung von aromatischen Carboxylaten mit Aryltriflaten bei nur 100 °C entwickelt werden, was einer Absenkung der Reaktionstemperatur um 50 °C entspricht.
Zukünftige Weiterentwicklungen der Cu/Pd-katalysierten decarboxylierenden Kreuzkupplung zielen auf die Überwindung der Beschränkung auf ortho-substituierte Benzoate und den Ersatz der teuren Aryltriflate durch günstigere Arylhalogenide. Arbeiten hierzu sind bereits im Gange.
Im zweiten Projekt wurde der Reaktionsmechanismus der Ruthenium-katalysierten Hydroamidierung terminaler Alkine eingehend untersucht. Nachdem durch Isotopen-markierungsexperimente, Bestimmungen von kinetischen Isotopeneffekten mittels in situ IR-Spektroskopie und verschiedene in situ NMR- sowie ESI-MS-Experimente drei von fünf potentiellen Reaktionsmechanismen ausgeschlossen werden konnten, erlaubten die experimentellen Ergebnisse die Eingrenzung auf einen der verbliebenen Katalysezyklen.
Mit Hilfe von DFT Rechnungen wurde daraufhin bestätigt, dass es sich bei den postulierten Intermediaten um stabile Minima handelt. Das Auftreten einer Ru–Hydrid–Vinylidenspezies lieferte die Erklärung, warum die Hydroamidierung auf terminale Alkine beschränkt ist. Der nukleophile Angriff des Amidliganden an das Vinylidenkohlenstoffatom erklärt die anti-Markovnikov-Selektivität der Reaktion. Nachdem Gooßen und Koley et al. in einer weiteren Untersuchung den Einfluss der Liganden auf die Stereoselektivität der Hydroamidierung aufklären konnten, ist nun der Grundstein für die zukünftige rationale Entwicklung effizienterer Hydroamidierungskatalysatoren gelegt.
Im dritten Projekt konnten Erkenntnisse zum Reaktionsmechanismus der Palladium-katalysierten Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern und Hinweise auf die katalytisch aktive Spezies der Reaktion erlangt werden. Zunächst gelang mit dem homodinuklearen Palladiumkatalysator [Pd(μ Br)(PtBu3)]2 die Entwicklung einer effizienten Synthese zur Darstellung einer großen Bandbreite diverser Enolester. In 1 Position verzweigte Enolester dienten anschließend als Substrate für enantioselektive Hydrierungen zur Synthese enantiomerenreiner chiraler Ester.
Aufgrund experimenteller Beobachtungen, die nahelegten, dass ein Palladiumhydrid-Komplex die katalytisch aktive Spezies darstellt, wurde die Bildung verschiedener Palladiumhydrid-Spezies ausgehend vom homodinuklearen Palladiumkatalysator [Pd(μ Br)(PtBu3)]2 mit Hilfe von DFT Rechnungen untersucht. Hierbei konnte der Palladiumhydrid-Komplex [Pd(Br)(H)(PtBu3)] als die vermutlich katalytisch aktive Spezies identifiziert werden. Aufgrund seiner hohen Reaktivität konnten in in situ NMR-Experimenten lediglich ein oxidiertes Dimer und ein Abfangprodukt mit überschüssigem Tri-tert-butylphosphin nachgewiesen werden.
In zukünftigen Arbeiten soll durch kinetische Untersuchungen die Reaktionsordnung der Isomerisierung ermittelt werden. Dies soll dazu beitragen, Aufschluss darüber zu gewinnen, ob tatsächlich ein monometallischer oder ein bimetallischer Komplex die katalytisch aktive Spezies darstellt.
Modeling and Simulation of a Moving Rigid Body in a Rarefied Gas
(2015)
