A study of new and more sustainable catalytic routes for the synthesis of adipic acid

The aim of my PhD research project was to investigate new and more sustainable routes, compared to those currently used, for the production of adipic acid (AA). AA is a very important chemical intermediate. The main use of AA is the production of Nylon-6,6 fibers, resins, polyesters, plasticizers. My project was divided into two parts: 1. The two-step oxidation of cyclohexene, where the latter is first oxidized into trans-1,2-cyclohexanediol (CHD) with aqueous hydrogen peroxide, and then the glycol is transformed into AA by reaction with molecular oxygen. Various catalysts were investigated in this process, both heterogeneous (alumina-supported Ru(OH)x and Au nanoparticles supported on TiO2, MgO and Mg(OH)2) and homogeneous (polyoxometalates). We also studied the mechanism of CHD oxidation with oxygen in the presence of these catalysts. 2. Baeyer-Villiger oxidation of cyclohexanone with aqueous hydrogen peroxide into ɛ-caprolactone, as a first step on the way to produce AA. Study on the mechanism of the uncatalyzed (thermal) oxidation of cyclohexanone were also carried out. Investigation on how the different heterogeneous catalysts affect the formation of the reaction products and their distribution was done.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Design of cell adhesive and angiogenic titanium surfaces for cellular stimulation

Die Förderung der Zelladhäsion durch sogenannte biomimetische Oberflächen wird in der Medizin als vielversprechender Ansatz gesehen, um Komplikationen wie z. B. Fremdkörperreaktionen nach der Implantation entgegenzuwirken. Neben der Immobilisierung einzelner Biomoleküle wie z. B. dem RGD-Peptid, Proteinen und Wachstumsfaktoren auf verschiedenen Materialien, konzentriert man sich derzeit in der Forschung auf die Co-Immobilisierung zweier Moleküle gleichzeitig. Hierbei werden die funktionellen Gruppen z. B. von Kollagen unter Verwendung von nur einer Kopplungschemie verwendet, wodurch die Kopplungseffizienz der einzelnen Komponenten nur begrenzt kontrollierbar ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Immobilisierungsverfahrens, welches die unabhängige Kopplung zweier Faktoren kontrolliert ermöglicht. Dabei sollten exemplarisch das adhäsionsfördernde RGD-Peptid (Arginin-Glycin-Asparaginsäure) zusammen mit dem Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) auf Titan gebunden werden. In weiteren Experimenten sollten dann die pro-adhäsiven Faktoren Fibronektin, Kollagen, Laminin und Osteopontin immobilisiert und untersucht werden. rnDie Aminofunktionalisierung von Titan durch plasma polymerisierte Allylaminschichten wurde als Grundlage für die Entwicklung des nasschemischen Co-immobilisierungsverfahren verwendet. Für eine unabhängige und getrennte Anbindung der verschiedenen Biomoleküle stand in diesem Zusammenhang die Entwicklung eines geeigneten Crosslinker Systems im Vordergrund. Die Oberflächencharakterisierung der entwickelten Oberflächen erfolgte mittels Infrarot Spektroskopie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie (SPR), Kontaktwinkelmessungen, Step Profiling und X-Ray Photoelectron Spektroskopie (XPS). Zur Analyse der Anbindungsprozesse in Echtzeit wurden SPR-Kinetik Messungen durchgeführt. Die biologische Funktionalität der modifizierten Oberflächen wurde in vitro an Endothelzellen (HUVECs) und Osteoblasten (HOBs) und in vivo in einem Tiermodell-System an der Tibia von Kaninchen untersucht.rnDie Ergebnisse zeigen, dass alle genannten Biomoleküle sowohl einzeln auf Titan kovalent gekoppelt als auch am Bespiel von RGD und VEGF in einem getrennten Zwei-Schritt-Verfahren co-immobilisiert werden können. Des Weiteren wurde die biologische Funktionalität der gebundenen Faktoren nachgewiesen. Im Falle der RGD modifizierten Oberflächen wurde nach 7 Tagen eine geförderte Zelladhäsion von HUVECs mit einer signifikant erhöhten Zellbesiedlungsdichte von 28,5 % (p<0,05) gezeigt, wohingegen auf reinem Titan Werte von nur 13 % beobachtet wurden. Sowohl VEGF als auch RGD/VEGF modifizierte Proben wiesen im Vergleich zu Titan schon nach 24 Stunden eine geförderte Zelladhäsion und eine signifikant erhöhte Zellbesiedlungsdichte auf. Bei einer Besiedlung von 7,4 % auf Titan, zeigten VEGF modifizierte Proben mit 32,3 % (p<0,001) eine deutlichere Wirkung auf HUVECs als RGD/VEGF modifizierte Proben mit 13,2 % (p<0,01). Die pro-adhäsiven Faktoren zeigten eine deutliche Stimulation der Zelladhäsion von HUVECs und HOBs im Vergleich zu reinem Titan. Die deutlich höchsten Besiedlungsdichten von HUVECs konnten auf Fibronektin mit 44,6 % (p<0,001) und Kollagen mit 39,9 % (p<0,001) nach 24 Stunden beobachtet werden. Laminin zeigte keine und Osteopontin nur eine sehr geringe Wirkung auf HUVECs. Bei Osteoblasten konnten signifikant erhöhte Besiedlungsdichten im Falle aller pro-adhäsiven Faktoren beobachtet werden, jedoch wurden die höchsten Werte nach 7 Tagen auf Kollagen mit 90,6 % (p<0,001) und Laminin mit 86,5 % (p<0,001) im Vergleich zu Titan mit 32,3 % beobachtet. Die Auswertung der Tierexperimente ergab, dass die VEGF modifizierten Osteosyntheseplatten, im Vergleich zu den reinen Titankontrollen, eine gesteigerte Knochenneubildung auslösten. Eine solche Wirkung konnte für RGD/VEGF modifizierte Implantate nicht beobachtet werden. rnInsgesamt konnte gezeigt werden, dass mittels plasmapolymerisierten Allylamin Schichten die genannten Biomoleküle sowohl einzeln gebunden als auch getrennt und kontrolliert co-immobilisiert werden können. Des Weiteren konnte eine biologische Funktionalität für alle Faktoren nach erfolgter Kopplung in vitro gezeigt werden. Wider Erwarten konnte jedoch kein zusätzlicher biologischer Effekt durch die Co-immobilisierung von RGD und VEGF im Vergleich zu den einzeln immobilisierten Faktoren gezeigt werden. Um zu einer klinischen Anwendung zu gelangen, ist es nun notwendig, das entwickelte Verfahren in Bezug auf die immobilisierten Mengen der verschiedenen Faktoren hin zu optimieren. rn

Poly(lactide): from hyperbranched copolyesters to new block copolymers with functional methacrylates

The prologue of this thesis (Chapter 1.0) gives a general overview on lactone based poly(ester) chemistry with a focus on advanced synthetic strategies for ring-opening polymerization, including the emerging field of organo catalysis. This section is followed by a presentation of the state-of the art regarding the two central fields of the thesis: (i) polyfunctional and branched poly(ester)s in Chapter 1.1 as well as (ii) the development of new poly(ester) based block copolymers with functional methacrylates (Chapter 1.2). Chapter 2 deals with the synthesis of new, non-linear poly(ester) structures. In Chapter 2.1, the synthesis of poly(lactide)-based multiarm stars, prepared via a grafting-from method, is described. The hyperbranched poly(ether)-poly(ol) poly(glycerol) is employed as a hydrophilic core molecule. The resulting star block copolymers exhibit potential as phase transfer agents and can stabilize hydrophilic dyes in a hydrophobic environment. In Chapter 2.2, this approach is expanded to poly(glycolide) multiarm star polymers. The problem of the poor solubility of linear poly(glycolide)s in common organic solvents combined with an improvement of the thermal properties has been approached by the reduction of the total chain length. In Chapter 2.3, the first successful synthesis of hyperbranched poly(lactide)s is presented. The ring-opening, multibranching copolymerization of lactide with the “inimer” 5HDON (a hydroxyl-functional lactone monomer) was carefully examined. Besides a precise molecular characterization involving the determination of the degree of branching, we were able to put forward a reaction model for the formation of branching during polymerization. Several innovative approaches to amphiphilic poly(ester)/poly(methacrylate)-based block copolymers are presented in the third part of the thesis (Chapter 3). Block copolymer build-up especially relies on the combination of ring-opening and living radical polymerization. Atom transfer radical polymerization has been successfully combined with lactide ring-opening, using a “double headed” initiator. This strategy allowed for the realization of poly(lactide)-block-poly(2-hydroxyethyl methacrylate) copolymers, which represent promising materials for tissue engineering scaffolds with anti-fouling properties (Chapter 3.1). The two-step/one-pot approach forgoes the use of protecting groups for HEMA by a careful selection of the reaction conditions. A series of potentially biocompatible and partially biodegradable homo- and block copolymers is described in Chapter 3.2. In order to create a block copolymer with a comparably strong hydrophilic character, a new acetal-protected glycerol monomethacrylate monomer (cis-1,3- benzylidene glycerol methacrylate/BGMA) was designed. The hydrophobic poly(BGMA) could be readily transformed into the hydrophilic and water-soluble poly(iso-glycerol methacrylate) (PIGMA) by mild acidic hydrolysis. Block copolymers of PIGMA and poly(lactide) exhibited interesting spherical aggregates in aqueous environment which could be significantly influenced by variation of the poly(lactide)s stereo-structure. In Chapter 3.3, pH-sensitive poly(ethylene glycol)-b-PBGMA copolymers are described. At slightly acidic pH values (pH 4/37°C), they decompose due to a polarity change of the BGMA block caused by progressing acetal cleavage. This stimuli-responsive behavior renders the system highly attractive for the targeted delivery of anti-cancer drugs. In Chapter 3.4, which was realized in cooperation, the concept of biocompatible, amphiphilic poly(lactide) based polymer drug conjugates, was pursued. This was accomplished in the form of fluorescently labeled poly(HPMA)-b-poly(lactide) copolymers. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) of partially biodegradable block copolymer aggregates exhibited fast cellular uptake by human cervix adenocarcinoma cells without showing toxic effects in the examined concentration range (Chapter 4.1). The current state of further projects which will be pursued in future studies is addressed in Chapter 4. This covers the synthesis of biocompatible star block copolymers (Chapter 4.2) and the development of new methacrylate monomers for biomedical applications (Chapters 4.3 and 4.4). Finally, the further investigation of hydroxyl-functional lactones and carbonates which are promising candidates for the synthesis of new hydrophilic linear or hyperbranched biopolymers, is addressed in Chapter 4.5.

Mechanical properties and structure of gel systems

Understanding the origins of the mechanical properties and its correlation withrnthe microstructure of gel systems is of great scientific and industrial interest. Inrngeneral, colloidal gels can be classified into chemical and physical gels, accordingrnto the life time of the network bonds. The characteristic di↵erences in gelationrndynamics can be observed with rheological measurements.rnAs a model system, a mixture of sodium silicate and low concentration sulfuric acidrnwas used. Nano-sized silica particles grow and aggregate to a system-spanning gelrnnetwork. The influence of the finite solubility of silica at high pH on the gelationrnwas studied with classical and piezo rheometer. The storage modulus of therngel grew logarithmically with time with two distinct growth laws. A relaxationrnat low frequency was observed in the frequency dependent measurements. I attributernthese two behaviors as a sign of structural rearrangements due to the finiternsolubility of silica at high pH. The reaction equilibrium between formation andrndissolution of bonds leads to a finite life time of the bonds and behavior similar tornphysical gel. The frequency dependence was more pronounced for lower water concentrations,rnhigher temperatures and shorter reaction times. With two relaxationrnmodels, I deduced characteristic relaxation times from the experimental data. Besidesrnrheology, the evolution of silica gels at high pH on di↵erent length scales wasrnstudied by NMR and dynamic light scattering. The results revealed that the primaryrnparticles existed already in sodium silicate and aggregated after the mixingrnof reactants due to a chemical reaction. Throughout the aggregation process thernsystem was in its chemical reaction equilibrium. Applying large oscillatory shearrnstrain to the gel allowed for modifying the gel modulus. The e↵ect of shear andrnshear history on the rheological properties of the gel were investigated. The storagernmodulus of the final gel increased with increasing strain. This behavior can be explained with (i) shear-induced aggregate compaction and (ii) combination ofrnbreakage and new formation of bonds.rnIn comparison with the physical gel-like behavior of the silica gel at high pH, typicalrnchemical gel features were exhibited by other gels formed from various chemicalrnreactions. Influences of the chemical structure modification on the gelation wererninvestigated with the piezo-rheometer. The external stimuli can be applied to tunernthe mechanical properties of the gel systems.

Synthese C-glycosidischer und N-methylierter Glycosylaminosäuren für den Aufbau von Mimetika tumorassoziierter MUC1-Glycopeptidantigene unter Verwendung mikrostrukturierter Reaktoren

Zur Synthese hydrolysestabiler MUC1-Antitumorvakzine wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Verfahren zur effizienten N Methylierung von Fmoc-Aminosäuren entwickelt. Die Synthese erfolgte in einer zweistufigen Umsetzung über Oxazolidinone unter Verwendung eines Tube-in-Tube-Durchflussreaktors mit einer semipermeablen Membran aus Teflon® AF 2400. In diesem Tube-in-Tube-Reaktor wurde in der ersten Stufe das Modellsubstrat Fmoc-Alanin bereits nach 2 h annähernd quantitativ in das entsprechende Oxazolidinon umgesetzt. In der zweiten Stufe wurde mit TFA erstmals eine Flüssigkeit durch eine solche Membran des Tube-in-Tube-Reaktors eingeleitet und lieferte innerhalb einer Stunde zahlreiche aliphatische, aromatische und funktionalisierte N-Methylaminosäuren in hohen Ausbeuten.rnDes Weiteren wurden erstmals sensible Glycosylaminosäuren, darunter auch TN Antigen-Strukturen, N-methyliert. Sie dienen als Bausteine für die Synthese von MUC1-Antitumorvakzinen. Neben Fmoc-N-Methyl-TN-Threonin konnten die Fmoc-geschützten N-Methyl-TN-Serin, N-Methyl-Sialyl-TN-Threonin sowie zwei N-Methyl-C Glycosylaminosäuren und in guten Ausbeuten erhalten werden. Anschließend wurde das N methylierte TN-Threonin gezielt in die tandem repeat-Sequenz des MUC1 in einer Festphasenpeptidsynthese eingebaut. Um einen direkten Vergleich bezüglich der N Methylierung im MUC1-Glycopeptide und dem darauf folgenden Einfluss auf die Tumorselektivität der resultierenden Vakzine erhalten zu können, wurde zudem ein Referenzpeptid aufgebaut. Zur Vollendung der Vakzinsynthese erfolgte die Konjugation beider Glycopeptidantigene an die jeweiligen BSA- und TTox-Proteine. rnEin alternativer Zugang zu hydrolysestabilen Glycopeptidbausteinen wurde im letzten Teil der Arbeit über die Synthese von α C Glycosylaminosäuren erarbeitet. Der entwickelte Syntheseweg basiert auf einer Ugi-Vier-Komponenten-Reaktion aus Aldehyd, Amin, Nitril und Carbonsäure. Als benötigte Aldehydkomponenten wurden ein einfaches Galactose- sowie ein Galactosamin-Derivat verwendet. Zum Aufbau des C-glycosidischen Grundgerüsts wurde eine Mikrowellen-unterstützte C-Allylierungsvariante im Durchfluss realisiert. Die Galactose- und Galactosaminaldehyde wurden danach mit chirale Glycosylaminen umgesetzt.

DYNAMICS AND CONTROL OF REACTIVE DISTILLATION PROCESS FOR MONOMER SYNTHESIS OF POLYCARBONATE PLANTS

Polycarbonate (PC) is an important engineering thermoplastic that is currently produced in large industrial scale using bisphenol A and monomers such as phosgene. Since phosgene is highly toxic, a non-phosgene approach using diphenyl carbonate (DPC) as an alternative monomer, as developed by Asahi Corporation of Japan, is a significantly more environmentally friendly alternative. Other advantages include the use of CO2 instead of CO as raw material and the elimination of major waste water production. However, for the production of DPC to be economically viable, reactive-distillation units are needed to obtain the necessary yields by shifting the reaction-equilibrium to the desired products and separating the products at the point where the equilibrium reaction occurs. In the field of chemical reaction engineering, there are many reactions that are suffering from the low equilibrium constant. The main goal of this research is to determine the optimal process needed to shift the reactions by using appropriate control strategies of the reactive distillation system. An extensive dynamic mathematical model has been developed to help us investigate different control and processing strategies of the reactive distillation units to increase the production of DPC. The high-fidelity dynamic models include extensive thermodynamic and reaction-kinetics models while incorporating the necessary mass and energy balance of the various stages of the reactive distillation units. The study presented in this document shows the possibility of producing DPC via one reactive distillation instead of the conventional two-column, with a production rate of 16.75 tons/h corresponding to start reactants materials of 74.69 tons/h of Phenol and 35.75 tons/h of Dimethyl Carbonate. This represents a threefold increase over the projected production rate given in the literature based on a two-column configuration. In addition, the purity of the DPC produced could reach levels as high as 99.5% with the effective use of controls. These studies are based on simulation done using high-fidelity dynamic models.

Prediction of PA12 melt viscosity in Laser Sintering by a Time and Temperature dependent rheological model

Ein auf Basis von Prozessdaten kalibriertes Viskositätsmodell wird vorgeschlagen und zur Vorhersage der Viskosität einer Polyamid 12 (PA12) Kunststoffschmelze als Funktion von Zeit, Temperatur und Schergeschwindigkeit angewandt. Im ersten Schritt wurde das Viskositätsmodell aus experimentellen Daten abgeleitet. Es beruht hauptsächlich auf dem drei-parametrigen Ansatz von Carreau, wobei zwei zusätzliche Verschiebungsfaktoren eingesetzt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird mithilfe des Verschiebungsfaktors aT von Arrhenius berücksichtigt. Ein weiterer Verschiebungsfaktor aSC (Structural Change) wird eingeführt, der die Strukturänderung von PA12 als Folge der Prozessbedingungen beim Lasersintern beschreibt. Beobachtet wurde die Strukturänderung in Form einer signifikanten Viskositätserhöhung. Es wurde geschlussfolgert, dass diese Viskositätserhöhung auf einen Molmassenaufbau zurückzuführen ist und als Nachkondensation verstanden werden kann. Abhängig von den Zeit- und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass die Viskosität als Folge des Molmassenaufbaus exponentiell gegen eine irreversible Grenze strebt. Die Geschwindigkeit dieser Nachkondensation ist zeit- und temperaturabhängig. Es wird angenommen, dass die Pulverbetttemperatur einen Molmassenaufbau verursacht und es damit zur Kettenverlängerung kommt. Dieser fortschreitende Prozess der zunehmenden Kettenlängen setzt molekulare Beweglichkeit herab und unterbindet die weitere Nachkondensation. Der Verschiebungsfaktor aSC drückt diese physikalisch-chemische Modellvorstellung aus und beinhaltet zwei zusätzliche Parameter. Der Parameter aSC,UL entspricht der oberen Viskositätsgrenze, wohingegen k0 die Strukturänderungsrate angibt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass es folglich nützlich ist zwischen einer Fließaktivierungsenergie und einer Strukturänderungsaktivierungsenergie für die Berechnung von aT und aSC zu unterscheiden. Die Optimierung der Modellparameter erfolgte mithilfe eines genetischen Algorithmus. Zwischen berechneten und gemessenen Viskositäten wurde eine gute Übereinstimmung gefunden, so dass das Viskositätsmodell in der Lage ist die Viskosität einer PA12 Kunststoffschmelze als Folge eines kombinierten Lasersinter Zeit- und Temperatureinflusses vorherzusagen. Das Modell wurde im zweiten Schritt angewandt, um die Viskosität während des Lasersinter-Prozesses in Abhängigkeit von der Energiedichte zu berechnen. Hierzu wurden Prozessdaten, wie Schmelzetemperatur und Belichtungszeit benutzt, die mithilfe einer High-Speed Thermografiekamera on-line gemessen wurden. Abschließend wurde der Einfluss der Strukturänderung auf das Viskositätsniveau im Prozess aufgezeigt.

Polychlorinated Biphenyls in Glaciers. 2. Model Results of Deposition and Incorporation Processes

In previous work, Alpine glaciers have been identified as a secondary source of persistent organic pollutants (POPs). However, detailed understanding of the processes organic chemicals undergo in a glacial system was missing. Here, we present results from a chemical fate model describing deposition and incorporation of polychlorinated biphenyls (PCBs) into an Alpine glacier (Fiescherhorn, Switzerland) and an Arctic glacier (Lomonosovfonna, Norway). To understand PCB fate and dynamics, we investigate the interaction of deposition, sorption to ice and particles in the atmosphere and within the glacier, revolatilization, diffusion and degradation, and discuss the effects of these processes on the fate of individual PCB congeners. The model is able to reproduce measured absolute concentrations in the two glaciers for most PCB congeners. While the model generally predicts concentration profiles peaking in the 1970s, in the measurements, this behavior can only be seen for higher-chlorinated PCB congeners on Fiescherhorn glacier. We suspect seasonal melt processes are disturbing the concentration profiles of the lower-chlorinated PCB congeners. While a lower-chlorinated PCB congener is mainly deposited by dry deposition and almost completely revolatilized after deposition, a higher-chlorinated PCB congener is predominantly transferred to the glacier surface by wet deposition and then is incorporated into the glacier ice. The incorporated amounts of PCBs are higher on the Alpine glacier than on the Arctic glacier due to the higher precipitation rate and aerosol particle concentration on the former. Future studies should include the effects of seasonal melt processes, calculate the quantities of PCBs incorporated into the entire glacier surface, and estimate the quantity of chemicals released from glaciers to determine the importance of glaciers as a secondary source of organic chemicals to remote aquatic ecosystems.

Reduction of cement leakage by sequential PMMA application in a vertebroplasty model

PURPOSE Leakage is the most common complication of percutaneous cement augmentation of the spine. The viscosity of the polymethylmethacrylate (PMMA) cement is strongly correlated with the likelihood of cement leakage. We hypothesized that cement leakage can be reduced by sequential cement injection in a vertebroplasty model. METHODS A standardized vertebral body substitute model, consisting of aluminum oxide foams coated by acrylic cement with a preformed leakage path, simulating a ventral vein, was developed. Three injection techniques of 6 ml PMMA were assessed: injection in one single step (all-in-one), injection of 1 ml at the first and 5 ml at the second step with 1 min latency in-between (two-step), and sequential injection of 0.5 ml with 1-min latency between the sequences (sequential). Standard PMMA vertebroplasty cement was used; each injection type was tested on ten vertebral body substitute models with two possible leakage paths per model. Leakage was assessed by radiographs using a zonal graduation: intraspongious = no leakage and extracortical = leakage. RESULTS The leakage rate was significantly lower in the "sequential" technique (2/20 leakages) followed by "two-step" (15/20) and "all-in-one" (20/20) techniques (p < 0.001). The RR for a cement leakage was 10.0 times higher in the "all-in-one" compared to the "sequential" group (95 % confidence intervals 2.7-37.2; p < 0.001). CONCLUSIONS The sequential cement injection is a simple approach to minimize the risk for leakage. Taking advantage of the temperature gradient between body and room temperature, it is possible to increase the cement viscosity inside the vertebra while keeping it low in the syringe. Using sequential injection of small cement volumes, further leakage paths are blocked before further injection of the low-viscosity cement.

Correlation between ileal digestibility of amino acids and chemical composition of soybean meals in broilers at 21 days of age

The correlations between chemical composition and coefficient of standardized ileal digestibility (CSID) of crude protein (CP) and amino acids (AA) were determined in 22 soybean meal (SBM) samples originated from USA (n = 8), Brazil (BRA; n = 7) and Argentina (ARG; n = 7) in 21-day old broilers. Birds were fed a commercial maize-SBM diet from 1 to 17 days of age followed by the experimental diets in which the SBM tested was the only source of protein (205 g CP/kg) for three days. Also, in vitro nitrogen (N) digestion study was conducted with these samples using the two-step enzymatic method. The coefficient of apparent ileal digestibility (CAID) of the SBM, independent of the origin, varied from 0.820 to 0.880 for CP, 0.850 to 0.905 for lysine (Lys), 0.859 to 0.907 for methionine (Met) and 0.664 to 0.750 for cysteine (Cys). The corresponding CSID values varied from 0.850 to 0.966 for CP, 0.891 to 0.940 for Lys, 0.931 to 0.970 for Met and 0.786 to 0.855 for Cys. The CSID of CP and Lys of the SBM were positively correlated with CP (r = 0.514; P menor que 0.05 and r = 0.370; P = 0.09, respectively), KOH solubility (KOH sol.) (r = 0.696; P menor que 0.001 and r = 0.619; P menor que 0.01, respectively), trypsin inhibitor activity (TIA) (r = 0.541; P menor que 0.01 and r = 0.416; P = 0.05, respectively) and reactive Lys (r = 0.563; P menor que 0.01 and r = 0.486; P menor que 0.05) values, but no relation was observed with neutral detergent fiber and oligosaccharide content. No relation between the CSID of CP determined in vivo and N digestibility determined in vitro was found. The CSID of most key AA were higher for the USA and the BRA meals than for the ARG meals. For Lys, the CSID was 0.921, 0.919 and 0.908 (P menor que 0.05) and for Cys 0.828, 0.833 and 0.800 (P menor que 0.01) for USA, BRA and ARG meals, respectively. It is concluded that under the conditions of this experiment, the CSID of CP and Lys increased with CP content, KOH sol., TIA and reactive Lys values of the SBM. The CSID of most limiting AA, including Lys and Cys, were higher for USA and BRA meals than for ARG meals.

Assessment of urban parameterizations in the WRF model for air quality modelling purposes in Madrid (Spain)

This study aims to assess the performance or multi-layer canopy parameterizations implemented in the mesoscale WRF model in order to understand their potential contribution to improve the description of energy fluxes and wind fields in the Madrid city. It was found that the Building Energy Model (BEP+BEM) parameterization yielded better results than the bulk standard scheme implemented in the Noah LSM, but very close to those of the Building Energy Parameterization (BEP). The later was deemed as the best option since data requirements and CPU time were smaller. Two annual runs were made to feed the CMAQ chemical-transport model to assess the impact of this feature in routinely air quality modelling activities.

Photoassembly of the manganese cluster and oxygen evolution from monomeric and dimeric CP47 reaction center photosystem II complexes

Isolated subcomplexes of photosystem II from spinach (CP47RC), composed of D1, D2, cytochrome b559, CP47, and a number of hydrophobic small subunits but devoid of CP43 and the extrinsic proteins of the oxygen-evolving complex, were shown to reconstitute the Mn4Ca1Clx cluster of the water-splitting system and to evolve oxygen. The photoactivation process in CP47RC dimers proceeds by the same two-step mechanism as observed in PSII membranes and exhibits the same stoichiometry for Mn2+, but with a 10-fold lower affinity for Ca2+ and an increased susceptibility to photodamage. After the lower Ca2+ affinity and the 10-fold smaller absorption cross-section for photons in CP47 dimers is taken into account, the intrinsic rate constant for the rate-limiting calcium-dependent dark step is indistinguishable for the two systems. The monomeric form of CP47RC also showed capacity to photoactivate and catalyze water oxidation, but with lower activity than the dimeric form and increased susceptibility to photodamage. After optimization of the various parameters affecting the photoactivation process in dimeric CP47RC subcores, 18% of the complexes were functionally reconstituted and the quantum efficiency for oxygen production by reactivated centers approached 96% of that observed for reconstituted photosystem II-enriched membranes.

Mg-chelatase of tobacco: The role of the subunit CHL D in the chelation step of protoporphyrin IX

The Mg-chelation is found to be a prerequisite to direct protoporphyrin IX into the chlorophyll (Chl)-synthesizing branch of the tetrapyrrol pathway. The ATP-dependent insertion of magnesium into protoporphyrin IX is catalyzed by the enzyme Mg-chelatase, which consists of three protein subunits (CHL D, CHL I, and CHL H). We have chosen the Mg-chelatase from tobacco to obtain more information about the mode of molecular action of this complex enzyme by elucidating the interactions in vitro and in vivo between the central subunit CHL D and subunits CHL I and CHL H. We dissected CHL D in defined peptide fragments and assayed for the essential part of CHL D for protein–protein interaction and enzyme activity. Surprisingly, only a small part of CHL D, i.e., 110 aa, was required for interaction with the partner subunits and maintenance of the enzyme activity. In addition, it could be demonstrated that CHL D is capable of forming homodimers. Moreover, it interacted with both CHL I and CHL H. Our data led to the outline of a two-step model based on the cooperation of the subunits for the chelation process.