A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Impact of sward type, cutting date and conditioning temperature on mass and energy flows in the integrated generation of solid fuel and biogas from semi-natural grassland

Energy production from biomass and the conservation of ecologically valuable grassland habitats are two important issues of agriculture today. The combination of a bioenergy production, which minimises environmental impacts and competition with food production for land with a conversion of semi-natural grasslands through new utilization alternatives for the biomass, led to the development of the IFBB process. Its basic principle is the separation of biomass into a liquid fraction (press fluid, PF) for the production of electric and thermal energy after anaerobic digestion to biogas and a solid fraction (press cake, PC) for the production of thermal energy through combustion. This study was undertaken to explore mass and energy flows as well as quality aspects of energy carriers within the IFBB process and determine their dependency on biomass-related and technical parameters. Two experiments were conducted, in which biomass from semi-natural grassland was conserved as silage and subjected to a hydrothermal conditioning and a subsequent mechanical dehydration with a screw press. Methane yield of the PF and the untreated silage was determined in anaerobic digestion experiments in batch fermenters at 37°C with a fermentation time of 13-15 and 27-35 days for the PF and the silage, respectively. Concentrations of dry matter (DM), ash, crude protein (CP), crude fibre (CF), ether extract (EE), neutral detergent fibre (NDF), acid detergent fibre (ADF), acid detergent ligning (ADL) and elements (K, Mg, Ca, Cl, N, S, P, C, H, N) were determined in the untreated biomass and the PC. Higher heating value (HHV) and ash softening temperature (AST) were calculated based on elemental concentration. Chemical composition of the PF and mass flows of all plant compounds into the PF were calculated. In the first experiment, biomass from five different semi-natural grassland swards (Arrhenaterion I and II, Caricion fuscae, Filipendulion ulmariae, Polygono-Trisetion) was harvested at one late sampling (19 July or 31 August) and ensiled. Each silage was subjected to three different temperature treatments (5°C, 60°C, 80°C) during hydrothermal conditioning. Based on observed methane yields and HHV as energy output parameters as well as literature-based and observed energy input parameters, energy and green house gas (GHG) balances were calculated for IFBB and two reference conversion processes, whole-crop digestion of untreated silage (WCD) and combustion of hay (CH). In the second experiment, biomass from one single semi-natural grassland sward (Arrhenaterion) was harvested at eight consecutive dates (27/04, 02/05, 09/05, 16/05, 24/05, 31/05, 11/06, 21/06) and ensiled. Each silage was subjected to six different treatments (no hydrothermal conditioning and hydrothermal conditioning at 10°C, 30°C, 50°C, 70°C, 90°C). Energy balance was calculated for IFBB and WCD. Multiple regression models were developed to predict mass flows, concentrations of elements in the PC, concentration of organic compounds in the PF and energy conversion efficiency of the IFBB process from temperature of hydrothermal conditioning as well as NDF and DM concentration in the silage. Results showed a relative reduction of ash and all elements detrimental for combustion in the PC compared to the untreated biomass of 20-90%. Reduction was highest for K and Cl and lowest for N. HHV of PC and untreated biomass were in a comparable range (17.8-19.5 MJ kg-1 DM), but AST of PC was higher (1156-1254°C). Methane yields of PF were higher compared to those of WCD when the biomass was harvested late (end of May and later) and in a comparable range when the biomass was harvested early and ranged from 332 to 458 LN kg-1 VS. Regarding energy and GHG balances, IFBB, with a net energy yield of 11.9-14.1 MWh ha-1, a conversion efficiency of 0.43-0.51, and GHG mitigation of 3.6-4.4 t CO2eq ha-1, performed better than WCD, but worse than CH. WCD produces thermal and electric energy with low efficiency, CH produces only thermal energy with a low quality solid fuel with high efficiency, IFBB produces thermal and electric energy with a solid fuel of high quality with medium efficiency. Regression models were able to predict target parameters with high accuracy (R2=0.70-0.99). The influence of increasing temperature of hydrothermal conditioning was an increase of mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and a differing effect on energy conversion efficiency. The influence of increasing NDF concentration of the silage was a differing effect on mass flows, a decrease of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. The influence of increasing DM concentration of the silage was a decrease of mass flows, an increase of element concentrations in the PC and an increase of energy conversion efficiency. Based on the models an optimised IFBB process would be obtained with a medium temperature of hydrothermal conditioning (50°C), high NDF concentrations in the silage and medium DM concentrations of the silage.

Semi-algebraic methods for symbolic analysis of complex reaction networks

The identification of chemical mechanism that can exhibit oscillatory phenomena in reaction networks are currently of intense interest. In particular, the parametric question of the existence of Hopf bifurcations has gained increasing popularity due to its relation to the oscillatory behavior around the fixed points. However, the detection of oscillations in high-dimensional systems and systems with constraints by the available symbolic methods has proven to be difficult. The development of new efficient methods are therefore required to tackle the complexity caused by the high-dimensionality and non-linearity of these systems. In this thesis, we mainly present efficient algorithmic methods to detect Hopf bifurcation fixed points in (bio)-chemical reaction networks with symbolic rate constants, thereby yielding information about their oscillatory behavior of the networks. The methods use the representations of the systems on convex coordinates that arise from stoichiometric network analysis. One of the methods called HoCoQ reduces the problem of determining the existence of Hopf bifurcation fixed points to a first-order formula over the ordered field of the reals that can then be solved using computational-logic packages. The second method called HoCaT uses ideas from tropical geometry to formulate a more efficient method that is incomplete in theory but worked very well for the attempted high-dimensional models involving more than 20 chemical species. The instability of reaction networks may lead to the oscillatory behaviour. Therefore, we investigate some criterions for their stability using convex coordinates and quantifier elimination techniques. We also study Muldowney's extension of the classical Bendixson-Dulac criterion for excluding periodic orbits to higher dimensions for polynomial vector fields and we discuss the use of simple conservation constraints and the use of parametric constraints for describing simple convex polytopes on which periodic orbits can be excluded by Muldowney's criteria. All developed algorithms have been integrated into a common software framework called PoCaB (platform to explore bio- chemical reaction networks by algebraic methods) allowing for automated computation workflows from the problem descriptions. PoCaB also contains a database for the algebraic entities computed from the models of chemical reaction networks.

Improving cropping systems of semi-arid south-western Madagascar under multiple ecological and socio-economic constraints

Das Mahafaly Plateau im südwestlichen Madagaskar ist gekennzeichnet durch raue klimatische Bedingungen, vor allem regelmäßige Dürren und Trockenperioden, geringe Infrastruktur, steigende Unsicherheit, hohe Analphabetenrate und regelmäßige Zerstörung der Ernte durch Heuschreckenplagen. Da 97% der Bevölkerung von der Landwirtschaft abhängen, ist eine Steigerung der Produktivität von Anbausystemen die Grundlage für eine Verbesserung der Lebensbedingungen und Ernährungssicherheit in der Mahafaly Region. Da wenig über die Produktivität von traditionellen extensiven und neu eingeführten Anbaumethoden in diesem Gebiet bekannt ist, waren die Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit, die limitierenden Faktoren und vielversprechende alternative Anbaumethoden zu identifizieren und diese unter Feldbedingungen zu testen. Wir untersuchten die Auswirkungen von lokalem Viehmist und Holzkohle auf die Erträge von Maniok, der Hauptanbaufrucht der Region, sowie die Beiträge von weiteren Faktoren, die im Untersuchungsgebiet ertragslimitierend sind. Darüber hinaus wurde in der Küstenregion das Potenzial für bewässerten Gemüseanbau mit Mist und Holzkohle untersucht, um zu einer Diversifizierung von Einkommen und Ernährung beizutragen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Schätzung von Taubildung und deren Beitrag in der Jahreswasserbilanz durch Testen eines neu entworfenen Taumessgerätes. Maniok wurde über drei Jahre und in drei Versuchsfeldern in zwei Dörfern auf dem Plateau angebaut, mit applizierten Zeburindermistraten von 5 und 10 t ha-1, Holzkohleraten von 0,5 und 2 t ha-1 und Maniokpflanzdichten von 4500 Pflanzen ha-1. Maniokknollenerträge auf Kontrollflächen erreichten 1 bis 1,8 t Trockenmasse (TM) ha-1. Mist führte zu einer Knollenertragssteigerung um 30 - 40% nach drei Jahren in einem kontinuierlich bewirtschafteten Feld mit geringer Bodenfruchtbarkeit, hatte aber keinen Effekt auf den anderen Versuchsfeldern. Holzkohle hatte keinen Einfluss auf Erträge über den gesamten Testzeitraum, während die Infektion mit Cassava-Mosaikvirus zu Ertragseinbußen um bis zu 30% führte. Pflanzenbestände wurden felder-und jahresübergreifend um 4-54% des vollen Bestandes reduziert, was vermutlich auf das Auftreten von Trockenperioden und geringe Vitalität von Pflanzmaterial zurückzuführen ist. Karotten (Daucus carota L. var. Nantaise) und Zwiebeln (Allium cepa L. var. Red Créole) wurden über zwei Trockenzeiten mit lokal erhältlichem Saatgut angebaut. Wir testeten die Auswirkungen von lokalem Rindermist mit einer Rate von 40 t ha-1, Holzkohle mit einer Rate von 10 t ha-1, sowie Beschattung auf die Gemüseernteerträge. Lokale Bewässerungswasser hatte einen Salzgehalt von 7,65 mS cm-1. Karotten- und Zwiebelerträge über Behandlungen und Jahre erreichten 0,24 bis 2,56 t TM ha-1 beziehungsweise 0,30 bis 4,07 DM t ha-1. Mist und Holzkohle hatten keinen Einfluss auf die Erträge beider Kulturen. Beschattung verringerte Karottenerträge um 33% im ersten Jahr, während sich die Erträge im zweiten Jahr um 65% erhöhten. Zwiebelerträge wurden unter Beschattung um 148% und 208% im ersten und zweiten Jahr erhöht. Salines Bewässerungswasser sowie Qualität des lokal verfügbaren Saatgutes reduzierten die Keimungsraten deutlich. Taubildung im Küstendorf Efoetsy betrug 58,4 mm und repräsentierte damit 19% der Niederschlagsmenge innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraum von 18 Monaten. Dies weist darauf hin, dass Tau in der Tat einen wichtigen Beitrag zur jährlichen Wasserbilanz darstellt. Tageshöchstwerte erreichten 0,48 mm. Die getestete Tauwaage-Vorrichtung war in der Lage, die nächtliche Taubildung auf der metallischen Kondensationsplatte zuverlässig zu bestimmen. Im abschließenden Kapitel werden die limitierenden Faktoren für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft in der Untersuchungsregion diskutiert.