Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse

Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten für die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausführliche Literaturübersicht zeigt den Stand der Forschung bezüglich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern für die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistationär betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfläche (RSA) für die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff ermöglicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosität von über 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von Übergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt für die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, für die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingeführt. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Sauerstoffkonzentration läßt sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. Über dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verläufe für die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfläche nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberflächenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberflächenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgeführt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus für die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfaßt 7 Elementarreaktionen, für welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Darüber hinaus werden reaktionskinetische Parameter für einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsansätze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.

Zur Adsorption und Reaktion von Stickstoffmonoxid an Aktivkohle

Die Verwendung von Aktivkohlen und -koksen stellt eine Alternative zu herkömmlichen Prozessen zur Verminderung der NOx-Emissionen in Rauchgasen dar. An diesen Materialien wird Stickstoffmonoxid adsorbiert und katalytisch zu N2 reduziert. Eine einheitliche Erklärung über die ablaufenden Vorgänge und die Reaktionsmechanismen gibt es noch nicht. Die Ergebnisse der bisher veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten sind sehr unterschiedlich, wenn nicht sogar widersprüchlich. In dieser Arbeit wird, anhand der Messung von NO-Durchbruchskurven und thermischen Desorptionsspektren, die Adsorption und Reaktion von Stickstoffmonoxid an Aktivkohlen und -koksen in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserdampf untersucht. Zur Durchführung der experimentellen Untersuchungen wird eine Versuchsanlage, bestehend aus einer Vorrichtung zur Gasgemischaufbereitung, einem Festbettreaktor und einer Gasanalytik, konzipiert und aufgebaut. Die Untersuchungen erfolgen bei Temperaturen zwischen 100 und 150 °C. Die NO-, O2- und H2O-Konzentrationen werden anhand der Rauchgaszusammensetzung kohlegefeuerter Kraftwerke gewählt. Die experimentellen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Verwendung einer Aktivkohle aus Ölpalmschalen, die in einem Drehrohrreaktor am Institut für Thermische Energietechnik der Universität Kassel hergestellt wurde. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass während des Prozesses NO-Adsorption, -Reduktion und -Oxidation, NO2-Bildung, -Adsorption und -reduktive Desorption, H2O-Adsorption sowie O2-Vergasung gleichzeitig stattfinden. Bei niedrigen Temperaturen werden die NO2-Bildung und die Adsorption bevorzugt. Die NO-Reduktion läuft über adsorbiertes NO mit CO2- und CO-Bildung. Durch O2-Vergasung werden aktive freie Cf-Plätzen für die NO-Reaktion und -Adsorption gebildet. Wasserdampf wird an der Aktivkohle adsorbiert und belegt aktive Plätze für diese Prozesse. Aus den experimentellen Ergebnissen werden kinetische und Gleichgewichtsparameter der NO-Sorption bestimmt. Ein vereinfachtes mathematisches Modell des Festbettreaktors, das zur Berechnung der NO-Durchbruchskurven bei unterschiedlichen Temperaturen dient, wird aufgestellt.

Salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil

Five laboratory incubation experiments were carried out to assess the salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil. The first laboratory experiment was carried out to prove the hypothesis that the lower content of fungal biomass in a saline soil reduces the decomposition of a complex organic substrate in comparison to a non-saline soil under acidic conditions. Three different rates (0.5, 1.0, and 2.0%) of sugarcane filter cake were added to both soils and incubated for 63 days at 30°C. In the saline control soil without amendment, cumulative CO2 production was 70% greater than in the corresponding non-saline control soil, but the formation of inorganic N did not differ between these two soils. However, nitrification was inhibited in the saline soil. The increase in cumulative CO2 production by adding filter cake was similar in both soils, corresponding to 29% of the filter cake C at all three addition rates. Also the increases in microbial biomass C and biomass N were linearly related to the amount of filter cake added, but this increase was slightly higher for both properties in the saline soil. In contrast to microbial biomass, the absolute increase in ergosterol content in the saline soil was on average only half that in the non-saline soil and it showed also strong temporal changes during the incubation: A strong initial increase after adding the filter cake was followed by a rapid decline. The addition of filter cake led to immobilisation of inorganic N in both soils. This immobilisation was not expected, because the total C-to-total N ratio of the filter cake was below 13 and the organic C-to-organic N ratio in the 0.5 M K2SO4 extract of this material was even lower at 9.2. The immobilisation was considerably higher in the saline soil than in the non-saline soil. The N immobilisation capacity of sugarcane filter cake should be considered when this material is applied to arable sites at high rations. The second incubation experiment was carried out to examine the N immobilizing effect of sugarcane filter cake (C/N ratio of 12.4) and to investigate whether mixing it with compost (C/N ratio of 10.5) has any synergistic effects on C and N mineralization after incorporation into the soil. Approximately 19% of the compost C added and 37% of the filter cake C were evolved as CO2, assuming that the amendments had no effects on the decomposition of soil organic C. However, only 28% of the added filter cake was lost according to the total C and d13C values. Filter cake and compost contained initially significant concentrations of inorganic N, which was nearly completely immobilized between day 7 and 14 of the incubation in most cases. After day 14, N re-mineralization occurred at an average rate of 0.73 µg N g-1 soil d-1 in most amendment treatments, paralleling the N mineralization rate of the non-amended control without significant difference. No significant net N mineralization from the amendment N occurred in any of the amendment treatments in comparison to the control. The addition of compost and filter cake resulted in a linear increase in microbial biomass C with increasing amounts of C added. This increase was not affected by differences in substrate quality, especially the three times larger content of K2SO4 extractable organic C in the sugarcane filter cake. In most amendment treatments, microbial biomass C and biomass N increased until the end of the incubation. No synergistic effects could be observed in the mixture treatments of compost and sugarcane filter cake. The third 42-day incubation experiment was conducted to answer the questions whether the decomposition of sugarcane filter cake also result in immobilization of nitrogen in a saline alkaline soil and whether the mixing of sugarcane filter cake with glucose (adjusted to a C/N ratio of 12.5 with (NH4)2SO4) change its decomposition. The relative percentage CO2 evolved increased from 35% of the added C in the pure 0.5% filter cake treatment to 41% in the 0.5% filter cake +0.25% glucose treatment to 48% in the 0.5% filter cake +0.5% glucose treatment. The three different amendment treatments led to immediate increases in microbial biomass C and biomass N within 6 h that persisted only in the pure filter cake treatment until the end of the incubation. The fungal cell-membrane component ergosterol showed initially an over-proportionate increase in relation to microbial biomass C that fully disappeared at the end of the incubation. The cellulase activity showed a 5-fold increase after filter cake addition, which was not further increased by the additional glucose amendment. The cellulase activity showed an exponential decline to values around 4% of the initial value in all treatments. The amount of inorganic N immobilized from day 0 to day 14 increased with increasing amount of C added in comparison to the control treatment. Since day 14, the immobilized N was re-mineralized at rates between 1.31 and 1.51 µg N g-1 soil d-1 in the amendment treatments and was thus more than doubled in comparison with the control treatment. This means that the re-mineralization rate is independent from the actual size of the microbial residues pool and also independent from the size of the soil microbial biomass. Other unknown soil properties seem to form a soil-specific gate for the release of inorganic N. The fourth incubation experiment was carried out with the objective of assessing the effects of salt additions containing different anions (Cl-, SO42-, HCO3-) on the microbial use of sugarcane filter cake and dhancha leaves amended to inoculated sterile quartz sand. In the subsequent fifth experiment, the objective was to assess the effects of inoculum and temperature on the decomposition of sugar cane filter cake. In the fourth experiment, sugarcane filter cake led to significantly lower respiration rates, lower contents of extractable C and N, and lower contents of microbial biomass C and N than dhancha leaves, but to a higher respiratory quotient RQ and to a higher content of the fungal biomarker ergosterol. The RQ was significantly increased after salt addition, when comparing the average of all salinity treatments with the control. Differences in anion composition had no clear effects on the RQ values. In experiment 2, the rise in temperature from 20 to 40°C increased the CO2 production rate by a factor of 1.6, the O2 consumption rate by a factor of 1.9 and the ergosterol content by 60%. In contrast, the contents of microbial biomass N decreased by 60% and the RQ by 13%. The effects of the inoculation with a saline soil were in most cases negative and did not indicate a better adaptation of these organisms to salinity. The general effects of anion composition on microbial biomass and activity indices were small and inconsistent. Only the fraction of 0.5 M K2SO4 extractable C and N in non-fumigated soil was consistently increased in the 1.2 M NaHCO3 treatment of both experiments. In contrast to the small salinity effects, the quality of the substrate has overwhelming effects on microbial biomass and activity indices, especially on the fungal part of the microbial community.

Application of biogas slurries from energy crops to arable soils and their impact on carbon and nitrogen dynamics

The use of renewable primary products as co-substrate or single substrate for biogas production has increased consistently over the last few years. Maize silage is the preferential energy crop used for fermentation due to its high methane (CH4) yield per hectare. Equally, the by-product, namely biogas slurry (BS), is used with increasing frequency as organic fertilizer to return nutrients to the soil and to maintain or increase the organic matter stocks and soil fertility. Studies concerning the application of energy crop-derived BS on the carbon (C) and nitrogen (N) mineralization dynamics are scarce. Thus, this thesis focused on the following objectives: I) The determination of the effects caused by rainfall patterns on the C and N dynamics from two contrasting organic fertilizers, namely BS from maize silage and composted cattle manure (CM), by monitoring emissions of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and CH4 as well as leaching losses of C and N. II) The investigation of the impact of differences in soil moisture content after the application of BS and temperature on gaseous emissions (CO2, N2O and CH4) and leaching of C and N compounds. III) A comparison of BS properties obtained from biogas plants with different substrate inputs and operating parameters and their effect on C and N dynamics after application to differently textured soils with varying application rates and water contents. For the objectives I) and II) two experiments (experiment I and II) using undisturbed soil cores of a Haplic Luvisol were carried out. Objective III) was studied on a third experiment (experiment III) with disturbed soil samples. During experiment I three rainfall patterns were implemented including constant irrigation, continuous irrigation with periodic heavy rainfall events, and partial drying with rewetting periods. Biogas slurry and CM were applied at a rate of 100 kg N ha-1. During experiment II constant irrigation and an irrigation pattern with partial drying with rewetting periods were carried out at 13.5°C and 23.5°C. The application of BS took place either directly before a rewetting period or one week after the rewetting period stopped. Experiment III included two soils of different texture which were mixed with ten BS’s originating from ten different biogas plants. Treatments included low, medium and high BS-N application rates and water contents ranging from 50% to 100% of water holding capacity (WHC). Experiment I and II showed that after the application of BS cumulative N2O emissions were 4 times (162 mg N2O-N m-2) higher compared to the application of CM caused by a higher content of mineral N (Nmin) in the form of ammonium (NH4+) in the BS. The cumulative emissions of CO2, however, were on the same level for both fertilizers indicating similar amounts of readily available C after composting and fermentation of organic material. Leaching losses occurred predominantly in the mineral form of nitrate (NO3-) and were higher in BS amended soils (9 mg NO3--N m-2) compared to CM amended soils (5 mg NO3--N m-2). The rainfall pattern in experiment I and II merely affected the temporal production of C and N emissions resulting in reduced CO2 and enhanced N2O emissions during stronger irrigation events, but showed no effect on the cumulative emissions. Overall, a significant increase of CH4 consumption under inconstant irrigation was found. The time of fertilization had no effect on the overall C and N dynamics. Increasing temperature from 13.5°C to 23.5°C enhanced the CO2 and N2O emissions by a factor of 1.7 and 3.7, respectively. Due to the increased microbial activity with increasing temperature soil respiration was enhanced. This led to decreasing oxygen (O2) contents which in turn promoted denitrification in soil due to the extension of anaerobic microsites. Leaching losses of NO3- were also significantly affected by increasing temperature whereas the consumption of CH4 was not affected. The third experiment showed that the input materials of biogas plants affected the properties of the resulting BS. In particular the contents of DM and NH4+ were determined by the amount of added plant biomass and excrement-based biomass, respectively. Correlations between BS properties and CO2 or N2O emissions were not detected. Solely the ammonia (NH3) emissions showed a positive correlation with NH4+ content in BS as well as a negative correlation with the total C (Ct) content. The BS-N application rates affected the relative CO2 emissions (% of C supplied with BS) when applied to silty soil as well as the relative N2O emissions (% of N supplied with BS) when applied to sandy soil. The impacts on the C and N dynamics induced by BS application were exceeded by the differences induced by soil texture. Presumably, due to the higher clay content in silty soils, organic matter was stabilized by organo-mineral interactions and NH4+ was adsorbed at the cation exchange sites. Different water contents induced highest CO2 emissions and therefore optimal conditions for microbial activity at 75% of WHC in both soils. Cumulative nitrification was also highest at 75% and 50% of WHC whereas the relative N2O emissions increased with water content and showed higher N2O losses in sandy soils. In summary it can be stated that the findings of the present thesis confirmed the high fertilizer value of BS’s, caused by high concentrations of NH4+ and labile organic compounds such as readily available carbon. These attributes of BS’s are to a great extent independent of the input materials of biogas plants. However, considerably gaseous and leaching losses of N may occur especially at high moisture contents. The emissions of N2O after field application corresponded with those of animal slurries.

Fabrication of diamond nanostructures and investigation of the imbedded NV centers

Diamant ist ein Material mit vielen außerordentlichen Eigenschaften, die ihn zu einem äußerst vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in Wissen-schaft und Technik machen. In den letzten Jahren wurde Diamant häufig als einzigartige Plattform für neue Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie (QIT) oder in der Magnetometrie im Nanometermaßstab eingesetzt, wobei einer der wichtigsten lumineszierenden Gitterdefekte im Diamantgitter eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um die sogenannten Stickstoff/Fehlenstellen-Farbzentren (NV-Zentren), die im sichtbaren Bereich mit einer absoluten Photostabilität bei Raumtemperatur emittieren. In dieser Arbeit wurden NV-Zentren in Diamantnanokristalliten und –nanosäulen untersucht, die während des Wachstumsprozesses erzeugt wurden. Einzelne Diamantnanokristallite und nanokristalline Diamantschichten (NCD), aus denen Nanosäulen geätzt wurden, wurden mithilfe der Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) abgeschieden. Zu Vergleichszwecken wurden auch ultrananokristalline Diamantschichten (UNCD) mittels Mikrowellen-CVD (MWCVD) hergestellt. Die Filme wurden sorgfältig in Bezug auf ihre Morphologie, kristallinen Eigenschaften und Zusammensetzung untersucht. Um die Möglichkeit einer Integration dieser Diamantschichten mit temperaturempfindlichen Materialien wie III/V-Halbleitern, Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt oder Polymeren zu untersuchen, wurde der Einfluss der Substrattemperatur ermittelt. Eindimensionale NCD- und UNCD-Diamantnanostrukturen wurden mithilfe der Elektronenstrahllithographie (EBL) und reaktivem Ionenätzen in einem induktiv gekoppelten O2-Plasma (ICP-RIE) hergestellt. Zur Vorbereitung wurden zunächst die Ätzraten in Abhängigkeit von den vier wichtigsten Parametern ermittelt. Weitere Erkenntnisse über die Ätzmechanismen wurden durch Ätzexperiment mit unstrukturierten NCD- und UNCD-Schichten erhalten Mittels der EBL konnten mithilfe von Gold-Ätzmasken Nanosäulen mit Durchmessern von 50 nm bis zu 1 μm hergestellt werden.Eine optische Charakterisierung der NCD- und UNCD-Nanosäulen erfolgte mithilfe von Fluorenzenz-Mapping und Photomumineszenz-Spektroskopie. Diese Messungen ergaben, dass in beiden Arten von Säulen NV-Zentren vorhanden sind. Allerdings wurden nur in NCD-Säulen die gewünschten NV--Zentren gefunden, in UNCD-Säulen hingegen nur NV0-Zentren.

Estudio de la situación ecológica del río Narcea.

Estudio de la contaminación del río Narcea por alumnos de últimos cursos de Bachillerato y COU en los seminarios de Física y Química, Ciencias Naturales y Geografía. Se intentan integrar métodos y conocimientos de Ciencias distintas para averiguar la capacidad de los alumnos en trabajos de investigación. Objeto del trabajo : estudio interdisciplinar de las posibles causas de contaminación del río Narcea, en el que se implica a alumnos de últimos cursos de BUP y COU del Instituto de Bachillerato de Cangas de Narcea. Se estudia la contaminación del río y cómo está determinada por sustancias producidas en tres puntos fundamentales: minas, centros urbanos y la central térmica. Se parte de una recogida de la información y legislación existente sobre el tema. Se efectúan recogida de muestras en el curso del agua, que serán sometidas a análisis físicos y biológicos para estudiar los parámetros indicadores de contaminación, y comprobar si las sustancias anteriormente señaladas son los agentes contaminantes principales. Los alumnos se organizan en grupos de trabajo coordinados por los profesores. Sondas turbimétricas, conductímetros, fluroscopio, aparatos de filtración del agua, densímetros, reostatos, test de oxidabilidad al permanganato potásico, y otra serie de instrumentos de laboratorio para el análisis químico del agua. Recuento de bacterias y prueba normalizada para las del grupo coliforme. Indice de Shannon-Weaver para ver la diversidad de macroinvertebrados. Análisis químicos: color, olor, turbidez, materias decantables, materias en suspensión, determinación de residuos, temperatura, densidad, PH, conductividad eléctrica, alcalinidad, acidez, CO2 libre, O2 disuelto, oxidabilidad al permanganato potásico del agua. Análisis biológicos del agua con elaboración de los índices que expresan la riqueza en macroinvertebrados. Correlación entre: temperatura y PH, CO2, O2 disuelto y conductividad; O2 disuelto y macroinvertebrados, PH y DBO5; residuos en suspensión y macroinvertebrados, etc. La mayor parte de los tramos de la cuenca alta se pueden considerar no contaminados. Se comprueba que los factores de máxima incidencia contaminante son los que se apuntaban al principio: aprovechamientos mineros, vertidos residuales, acción de la central térmica. El trabajo consigue la interdisciplinareidad entre los tres seminarios didácticos que se pretendía y una toma de conciencia de la unidad de la ciencia superando la tradicional visión de la misma como compartimentos estancos aislados. Los alumnos encuentran más facilidad en el tratamiento de fuentes bibliográficas que en la organización del material recogido. Como se parte de conocimientos adquiridos con anterioridad, la experimentación y contrastación de hipótesis por parte de los alumnos se considera aceptable. La aplicación de estas pequeñas investigaciones a la enseñanza de las Ciencias Naturales favorece una mayor valoración del entorno por parte de los alumnos y fomenta la actitud crítica hacia la aplicación de las nuevas tecnologías.

Thermodynamics and log–contrast analysis in fluid geochemistry

There are two principal chemical concepts that are important for studying the natural environment. The first one is thermodynamics, which describes whether a system is at equilibrium or can spontaneously change by chemical reactions. The second main concept is how fast chemical reactions (kinetics or rate of chemical change) take place whenever they start. In this work we examine a natural system in which both thermodynamics and kinetic factors are important in determining the abundance of NH+4 , NO−2 and NO−3 in superficial waters. Samples were collected in the Arno Basin (Tuscany, Italy), a system in which natural and antrophic effects both contribute to highly modify the chemical composition of water. Thermodynamical modelling based on the reduction-oxidation reactions involving the passage NH+4 -> NO−2 -> NO−3 in equilibrium conditions has allowed to determine the Eh redox potential values able to characterise the state of each sample and, consequently, of the fluid environment from which it was drawn. Just as pH expresses the concentration of H+ in solution, redox potential is used to express the tendency of an environment to receive or supply electrons. In this context, oxic environments, as those of river systems, are said to have a high redox potential because O2 is available as an electron acceptor. Principles of thermodynamics and chemical kinetics allow to obtain a model that often does not completely describe the reality of natural systems. Chemical reactions may indeed fail to achieve equilibrium because the products escape from the site of the rection or because reactions involving the trasformation are very slow, so that non-equilibrium conditions exist for long periods. Moreover, reaction rates can be sensitive to poorly understood catalytic effects or to surface effects, while variables as concentration (a large number of chemical species can coexist and interact concurrently), temperature and pressure can have large gradients in natural systems. By taking into account this, data of 91 water samples have been modelled by using statistical methodologies for compositional data. The application of log–contrast analysis has allowed to obtain statistical parameters to be correlated with the calculated Eh values. In this way, natural conditions in which chemical equilibrium is hypothesised, as well as underlying fast reactions, are compared with those described by a stochastic approach

Disseny d’un remolc amb eixos abatibles destinat a activitats ambulants

Disseny d’un remolc de categoria O2,homologable per circular pe les vies públiques, i adaptat a les especificitats de les activitats de venda ambulant. El present projecte neix de la necessitat dels firaires i marxants disposar d’un espai de treball mòbil, el més similar possible als establiments fixes. El fet diferencial d’aquest vehicle consisteix en la seva capacitat per deixar la seva carrosseria al nivell del terra, facilitant el contacte entre client i venedor. El remolc està definit per un xassís format a partir de perfilaria d’acer i que consistirà la base del vehicle. Sobre el xassís es muntaran uns eixos abatibles accionats amb uns sistema hidràulic, i que permeten deixar la carrosseria al nivell del terra. Es fa la selecció també dels dispositius necessaris per a la seva homologació, com són els sistemes d’acoblament al vehicle tractor, de frenat i de direcció. La carrosseria muntada damunt del xassís consistirà en una caixa tancada construïda a partir de panells, perfils i tancaments comercials. El present projecte abasta el disseny i la selecció de components comercials, exceptuant els sistemes hidràulic i elèctric, dels que se’n defineixen només les necessitats

Preoxigenacion con volumen corriente y capacidad vital en voluntarios sanos a 2600 metros

En la literatura existen descritas varias técnicas de preoxigenación aplicadas a diferentes pacientes y realizadas con diferentes flujos o fracciones inspiradas de oxigeno, sin embargo no se encuentran descripciones ni estudios realizados con respecto a este tópico en pacientes ubicados por encima de los 1000 mts sobre el nivel del mar. El objetivo del presente estudio es describir el patrón de saturación con oxigeno al 100% obteniendo fracción espirada de oxígeno (EtO2) >90% y Saturación de oxígeno (SaO2) > 99%, así como el patrón de normalización de la saturación de oxigeno con una fracción inspirada del 21% con cuatro técnicas estandarizadas de preoxigenación, en personas voluntarias sanas pertenecientes a la Fundación Cardio Infantil a 2600 metros sobre el nivel del mar. Materiales y métodos: Este es un estudio cuasiexperimental en personas adultas voluntarias sanas pertenecientes a la Fundación Cardio Infantil, los cuales son sometidos a toma de saturación de oxígeno basal y luego se les aplica preoxigenación con fracción inspirada oxigeno (FiO2) al 100% con un flujo de 10Lt/min, mediante sello de máscara facial con arnés: Simultáneamente se realiza una medición de la fracción espirada de oxígeno (ETO2) y oximetría de pulso (SaO2) cada 15 segundos con cada una de las cuatro pruebas de preoxigenación (volumen corriente por 3 minutos, 8 capacidades vitales, volumen corriente hasta ETO2 de =90% y capacidades vitales hasta ETO2 =90%) y luego medición del tiempo de normalización de la saturación respirando al oxígeno con FiO2 al 21 % hasta alcanzar nuevamente la SaO2 basal, con cada técnica. Resultados: No existe diferencia significativa en la aplicación de las técnicas de preoxigenación ni tampoco en el tiempo de normalización de la saturación de oxígeno con FiO2 al 21 % al nivel de Bogotá con las cuatro técnicas de preoxigenación aplicadas a nuestros pacientes. Conclusión: Las cuatro técnicas de preoxigenación son efectivas, sin embargo recomendamos el uso de técnicas que buscan una ETO2=90%. Por otra parte encontramos que el tiempo de recuperación de la saturación basal es de 3,9 minutos en personas voluntarias sanas a 2600 mts sobre el nivel del mar, la cual es inferior comparada con los 10 minutos que toma la normalización de la saturación de oxígeno a 0 mts sobre el nivel del mar descritos previamente en la literatura. Hace falta realizar estudios de preoxigenación y apnea en pacientes a nuestra altura (2600 mts sobre el nivel del mar) para confirmar que el tiempo de desaturación es significativamente menor que a nivel del mar. Palabras Claves: Preoxigenación, Fracción espirada de O2 (EtO2), saturación de oxígeno (SaO2).

Estudio de correlación entre la PaO2/FiO2 y la SO2/FiO2 en niños en ventilación mecánica de la Fundación Cardioinfantil en Bogotá entre Abril y Junio de 2011

Objetivos: Determinar si existe correlación entre las variables SaFiO2 y PaFiO2 de pacientes con patología respiratoria aguda en la unidad de Cuidado Intensivo Pediátrico, en la Fundación Cardioinfantil en la ciudad de Bogotá D.C. Materiales y métodos: Se analizaron las variables cuantitativas con medidas de tendencia central como la media y medidas de dispersión como la desviación estándar. Se utilizó un nivel de confiabilidad del 95% y un poder estimado 80%, para prueba de hipótesis de una proporción. Se realizó un análisis de correlación para medir la fuerza de la relación entre las variables PaO2/FiO2 y SO2/FiO2 a través del coeficiente de correlación. Resultados: Se incluyeron 12 pacientes y se tomaron un total de 65 registros de SO2/FiO2 y PaO2/FiO2 encontrando que existe relación positiva entre las variables SaO2/FIO2 y PaO2/FIO2, la cual es variable dependiendo de la fracción inspirada de oxigeno con el cual se encuentre el paciente. De acuerdo a las observaciones realizadas, la variable SaO2/FIO2 está moderadamente correlacionada (r = 0,602) con la PaO2/FIO2, cuando la FIO2 está entre 0.35 y 0.55; un grado de correlación aceptable (r = 0,319) cuando la FIO2 está entre 0.60 – 0.80 y 0.81 – 1 (r = 0,318). Conclusiones: Los métodos no invasivos en la evaluación de la oxigenación podrían ser una alternativa para el seguimiento clínico en niños con lesión pulmonar aguda o síndrome de dificultad respiratorio agudo. Se requiere de estudios analíticos que brinden una mejor evidencia científica que pueda ser extrapolable a la población infantil objeto de este estudio.

Diferencia venoarterial de PCO2 como predictor de disfunción miocárdica en pacientes pediátricos con sepsis severa y choque séptico

El objetivo de este estudio, es determinar la capacidad de la diferencia venoarterial de de pCO2, como predictor de disfunción miocárdica en pacientes pediátricos con sepsis severa y choque séptico en la Unidad de Cuidado Intensivo Pediátrico de la Fundación Cardio Infantil. El documento eviado corresponde a un informe parcial de un estudio en curso en la Fundación CardioInfantil.

Cambios observados en las variables clínicas y paraclínicas en las primeras 48 horas de hospitalización en la Unidad de Cuidados Intensivos de pacientes con neumonía severa adquirida en la comunidad y su relación con la mortalidad

El pronóstico de la Neumonía Adquirida en la Comunidad Severa (NAC-S) depende de decisiones terapéuticas instauradas tempranamente. Los cambios fisiológicos ocurridos en las primeras horas pueden ser difíciles de detectar. No existe ningún modelo para la determinación temprana del éxito de la terapia instaurada en NAC-S. Metodología: Descripción de la totalidad de los pacientes con NAC-S hospitalizados en la Unidad de Cuidado Intensivo de la Fundación Cardioinfantil entre los años 2008 y 2012 haciendo comparaciones entre grupos (muertos vs. supervivientes) y entre momentos (0, 24 y 48 horas desde el ingreso a la UCI) y realizando regresión logística binaria. Resultados: Entre los pacientes que fallecieron la necesidad de soporte vasoactivo fue mayor en todos los momentos evaluados (sig=0.001), en la línea de base tuvieron mayores requerimientos de la Fracción Inspirada de O2 (mediana 0.55% vs. 0.50%, sig=0.011), a las 24 horas tuvieron pH (mediana 7.345 vs.7.370, sig=0.025) y tensión arterial diastólica (mediana 58.5mmHg vs.61.0mmHg, sig =0.049) menores, y a las 48 horas glicemia (mediana 157mg/dL vs.142mg/dL, sig =0.026) creatinina (mediana 1.1mg/dL vs.0.7mg/dL, sig =0.062) y nitrógeno ureico (mediana 35mg/dL vs. 22mg/dL, sig =0.003) mayores comparados con los pacientes que sobrevivieron. Entre los pacientes supervivientes hubo una disminución de la frecuencia cardiaca entre las 0 y 24 horas (mediana 97lpm vs. 86lpm, sig =0.000) y entre las 0 y las 48 horas (mediana 97lpm vs. 81lpm, sig=0.000) y una disminución de los neutrófilos entre las 0 y las 48 horas (mediana 9838 vs. 8617, sig=0.062). Conclusiones: Nuestros hallazgos sugieren la existencia de una secuencia de fenómenos fisiopatológicos que al ser reconocida temprana y claramente permitiría establecer un plan de reanimación más especifico y eficaz. Estas diferencias se pueden plantear en el contexto de un modelo mixto predictivo

Efecto de la hipoxia-reoxigenación y las radiaciones ionizantes en la captación de glucosa en líneas tumorales de seno y colon cocultivadas con células endoteliales.

La captación de glucosa y su conversión en lactato juega un papel fundamental en el metabolismo tumoral, independientemente de la concentración de oxígeno presente en el tejido (efecto Warburg). Sin embrago, dicha captación varía de un tipo tumoral a otro, y dentro del mismo tumor, situación que podría depender de las características microambientales tumorales (fluctuaciones de oxígeno, presencia de otros tipos celulares) y de factores estresores asociados a los tratamientos. Se estudió el efecto de la hipoxia-reoxigenación (HR) y las radiaciones ionizantes (RI) sobre la captación de glucosa, en cultivos de líneas tumorales MCF-7 y HT-29, cultivadas de forma aislada o en cocultivo con la línea celular EAhy296. Se encontró que la captación de glucosa en HR es diferente para lo descrito en condiciones de hipoxia permanente y que es modificada en el cocultivo. Se identificaron poblaciones celulares dentro de la misma línea celular, de alta y baja captación de glucosa, lo que implicaría una simbiosis metabólica de la célula como respuesta adaptativa a las condiciones tumorales. Se evaluó la expresión de NRF2 y la translocación nuclear de NRF2 y HIF1a, como vías de respuesta a estrés celular e hipoxia. La translocación nuclear de las proteínas evaluadas explicaría el comportamiento metabólico de las células tumorales de seno, pero no de colon, por lo cual deben existir otras vías metabólicas implicadas. Las diferencias en el comportamiento de las células tumorales en HR en relación con hipoxia permitirá realizar planeaciones dosimétricas más dinámicas, que reevalúen las condiciones de oxigenación tumoral constantemente.

Respuesta de las células HeLa y EA.hy926 al estrés por hipoxia y radiación ionizante a través de la vía JAK/STAT y la supervivencia celular

El comportamiento biológico de las células cancerosas es influenciado por el microambiente en el que se desarrollan y en este, factores como la angiogénesis o el estímulo de agentes estresores como la hipoxia, se han considerado críticos para su evolución y manejo terapéutico. Uno de los mecanismos moleculares implicados en la respuesta celular frente a estímulos estresores es la activación de vías de señalización intracelulares; en este estudio, se evaluó el estado de la vía JAK/STAT y en ella la expresión/activación de la proteína STAT3 en la línea tumoral (HeLa) y endotelial (EA.hy926), sometidas a hipoxia física y química con mesilato de deferoxamina durante 2, 6 y 24 horas. Adicionalmente, al considerar la importancia de la hipoxia como un agente modificador de la respuesta en el manejo del cáncer utilizando radiaciones ionizantes, se construyeron curvas de supervivencia celular que permitieron evaluar el comportamiento celular frente a estos estímulos. El presente estudio resalta la importancia de la hipoxia como un estímulo que modifica la activación de la proteína STAT3 y la supervivencia de células irradiadas en las dos líneas estudiadas.

Bioquímica en la vida diaria: el equilibrio químico y la función transportadora de la hemoglobina

La hemoglobina es una proteína sanguínea que puede transportar oxígeno, un gas insoluble en medio acuoso, llevándolo a las diferentes partes del organismo en donde es requerido para su buen funcionamiento, así como productos metabólicos como el CO2 y el hidrógeno, para su excreción. Estos procesos se ven condicionados por factores como el pH, la concentración de BPG, las presiones parciales de O2 y CO2, la cooperatividad de la unión entre la hemoglobina y esos compuestos y los cambios conformacionales que la hemoglobina debe sufrir para captar y soltar eficientemente estas moléculas en el sitio del organismo donde son requeridos. Cambios abruptos en la presión atmosférica ligados a la altura, y la exposición a altas concentraciones de otros gases afines a la hemoglobina como el monóxido de carbono, presente en vehículos o recintos cerrados, pueden comprometer el funcionamiento normal del organismo precisamente porque causan efectos sobre esa función transportadora de la hemoglobina. En este escrito, se explicarán fenómenos de la vida diaria relacionados con el transporte de gases por la hemoglobina, como una demostración de que los conocimientos bioquímicos comienzan a ser útiles desde ahora para entender situaciones cotidianas y a dejarnos la expectativa de su valor para entender muchos de los problemas de salud que tendremos en nuestras manos.