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Simulation und Experiment bei der Aufarbeitung von Polyphenolen durch neue Silicatmaterialien
(2010)
Nachwachsende Rohstoffe stellen eine reichhaltige Quelle für die Gewinnung von wirtschaftlich interessanten Biomolekülen dar. Die Gruppe der Polyphenole ist dabei für mehrere Industriezweige bedeutend. Ihre antioxidativen Eigenschaften sind z. B. für die Pharmaindustrie interessant. Im derzeit bearbeiteten Projekt sollen Polyphenole aus Pflanzenbestandteilen isoliert und aufgereinigt werden, um sie dann als Komponenten für eine Vernetzung von Polymeren auf der Basis von Fettsäuren einzusetzen. Bisher sind im Wesentlichen Prozesse zur Entfernung von Polyphenolen aus Getränken wie Bier und Wein bekannt. Eine Wiedergewinnung der Polyphenole war in diesen Anwendungen bisher nicht relevant. Die Gewinnung bzw. Abtrennung der Polyphenole erfolgt u. a. durch kommerziell erhältliche Adsorbentien wie PVPP, Adsorberharze XAD16 (Rhöm & Haas) oder SP70 (Sepabeads), deren Partikelgrößen im Bereichvon 0,1 ± 0,8 mm und spezifischen Oberflächen von 700 ± 900 m 2 /g liegen. Als Alternative zu diesen Adsorbern sollen neue Materialien auf Basis von anorganischen Trennmedien, wie z. B. natürlichen Tonmineralien, für die Polyphenolabtrennung verwendet werden. Derzeit wird durch Abgleich von Experiment und Simulation ein Materialscreening durchgeführt. Durch den Einsatz molekulardynamischer Bindungssimulationen wird die Adsorbersuche beschleunigt und Vorhersagen zu Modifikationen bei der Herstellung der neuen Adsorbentien ermöglicht.
Gräser sind in der Lage, einen großen Teil der für eine biobasierte Wirtschaft benötigten Biomasse zur Verfügung zu stellen. Wie bei anderen lignocellulosehaltigen nachwachsenden Rohstoffen erfordert die Verwertung der im Gras enthaltenen Polysaccharide einen mehrstufigen Prozess aus Vorbehandlung, Hydrolyse und Fermentation. In Gräsern ist die Hemicellulose mitP henolcarbonsäuren wie Ferula- und p-Coumarsäure verestert, die die enzymatische Hydrolyse der Cellulose und Hemicellulose ebenso effektiv behindern wie Lignin. Anders als bei holzigen Rohstoffen ermöglicht dieser Aufbau aber eine enzymatische Vorbehandlung, mit der die Phenolcarbonsäuren abgespalten werden können. Da die bei der Vorbehandlung eingesetzten Enzyme in ihrer natürlichen Funktion synergistisch mit cellulytischen Enzymen zusammenarbeiten, besitzen sie ähnliche Optima wie die für die Hydrolyse der Polysaccharide eingesetzten Cellulasen und Hemicellulasen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Integration von Vorbehandlung und Hydrolyse in einem einzigen Verfahrensschritt. Durch die Einführung der enzymatischen Vorbehandlung konnte das in der Literatur bekannte SSF-Verfahren für die Herstellung von Ethanol aus Gräsern um die Vorbehandlungsstufe erweitert werden. Das so realisierte simultaneous pretreatment, saccharification and fermentation (SPSF)-Verfahren stellt eine vollständige Integration der drei für die Nutzung von Lignocellulose nötigen Verfahrensschritte in der grünen Bioraffinerie dar.
Durch den Einsatz magnetisierbarer Partikel lassen sich Stoffwechselprodukte direkt und selektiv aus feststoffreichen Fermentationssuspensionen abtrennen. Im Gegensatz zu klassischen Adsorbermaterialien können magnetisierbare Partikel mit sehr geringen Durchmessern verwendet werden. Zur deren Abtrennung ist jedoch ein hoher Magnetfeldgradient notwendig. Dieser wird in der Regel durch in der Trennkammer bzw. dem Magnetfeld eingebrachte magnetisierbare Drähte realisiert. Bei der Auslegung der Drahtgitter ist ein Kompromiss zwischen Abtrennrate und Durchlässigkeit nötig. Die Ausrichtung der Drähte in Relation zum Magnetfeld, deren Abstand sowie die geometrische Anordnung können hierbei variiert werden. Zum Verständnis der Einflüsse auf das sich ausbildende Magnetfeld und die Fluiddynamik wurden Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und experimentell überprüft. Hierfür wurden die Drähte unter Variation von Anzahl, Richtung und Anordnung in den Hochgradient-Magnetseparator eingebracht. Erste Verifizierungen der Simulationen zeigen, dass die in Magnetfeldrichtung ausgerichteten Drähte (x-Achse) über die geringste Partikelrückhaltefähigkeit verfügen. Die Drähte der y- und z-Achse halten den größten Anteil der Magnetpartikel zurück, wobei die Drähte in y-Richtung den höchsten Feldgradienten ausbilden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass eine rhomboedrische Drahtanordnung der kubischen vorzuziehen ist.
Gras hat ein hohes Potenzial als nachwachsender Rohstoff. Bei ungeeigneter Lagerung verderben Gräser allerdings innerhalb weniger Tage. Dieser Nachteil kann durch die Silierung des Grasschnittes behoben werden. Eines der wichtigsten in der Silage enthaltenen Produkte ist die Milchsäure. Um diese für weitere Aufarbeitungsschritte zugänglich zu machen, wird aus der Silage ein Presssaft hergestellt. Die Milchsäure wird aus einem Silagepresssaft mittels Extraktion durch ionische Flüssigkeiten isoliert. Dabei wird zum einen eine reine Milchsäure hergestellt, die z. B. für die Herstellung von Polymilchsäure genutzt werden kann. Zum anderen wird ein weniger aufgereinigter Extrakt gewonnen, der für die fermentative Produktion von L-Lysin und 1,2-Propandiol genutzt werden soll. Im Rahmen des Projekts erfolgt die gentechnische Optimierung von Corynebacterium glutamicum für die Umsetzung von Milchsäurezu L-Lysin. Die im nach der Pressung verbleibenden Presskuchen enthaltenen Grasfasern bestehen zu einem großen Teil aus Polysacchariden. Diese werden hydrolysiert und die dabei freigesetzten Zucker zu Grundchemikalien wie Ethanol oder Itakonsäure fermentiert. Im Rahmen einer vollständigen Nutzung der Silage wird das Raffinat aus der Milchsäureextraktion als Mediumsupplement in der Fermentation eingesetzt, was die Zugabe weiterer Medienbestandteile überflüssig macht. Die Rückstände der Hydrolysen und Fermentationen sollen darüberhinaus für die Herstellung von Biogas genutzt werden.
Objectives
Interest in cardiovascular magnetic resonance (CMR) at 7 T is motivated by the expected increase in spatial and temporal resolution, but the method is technically challenging. We examined the feasibility of cardiac chamber quantification at 7 T.
Methods
A stack of short axes covering the left ventricle was obtained in nine healthy male volunteers. At 1.5 T, steady-state free precession (SSFP) and fast gradient echo (FGRE) cine imaging with 7 mm slice thickness (STH) were used. At 7 T, FGRE with 7 mm and 4 mm STH were applied. End-diastolic volume, end-systolic volume, ejection fraction and mass were calculated.
Results
All 7 T examinations provided excellent blood/myocardium contrast for all slice directions. No significant difference was found regarding ejection fraction and cardiac volumes between SSFP at 1.5 T and FGRE at 7 T, while volumes obtained from FGRE at 1.5 T were underestimated. Cardiac mass derived from FGRE at 1.5 and 7 T was larger than obtained from SSFP at 1.5 T. Agreement of volumes and mass between SSFP at 1.5 T and FGRE improved for FGRE at 7 T when combined with an STH reduction to 4 mm.
Conclusions
This pilot study demonstrates that cardiac chamber quantification at 7 T using FGRE is feasible and agrees closely with SSFP at 1.5 T.
Background
To demonstrate the applicability of acoustic cardiac triggering (ACT) for imaging of the heart at ultrahigh magnetic fields (7.0 T) by comparing phonocardiogram, conventional vector electrocardiogram (ECG) and traditional pulse oximetry (POX) triggered 2D CINE acquisitions together with (i) a qualitative image quality analysis, (ii) an assessment of the left ventricular function parameter and (iii) an examination of trigger reliability and trigger detection variance derived from the signal waveforms.
Results
ECG was susceptible to severe distortions at 7.0 T. POX and ACT provided waveforms free of interferences from electromagnetic fields or from magneto-hydrodynamic effects. Frequent R-wave mis-registration occurred in ECG-triggered acquisitions with a failure rate of up to 30% resulting in cardiac motion induced artifacts. ACT and POX triggering produced images free of cardiac motion artefacts. ECG showed a severe jitter in the R-wave detection. POX also showed a trigger jitter of approximately Δt = 72 ms which is equivalent to two cardiac phases. ACT showed a jitter of approximately Δt = 5 ms only. ECG waveforms revealed a standard deviation for the cardiac trigger offset larger than that observed for ACT or POX waveforms.
Image quality assessment showed that ACT substantially improved image quality as compared to ECG (image quality score at end-diastole: ECG = 1.7 ± 0.5, ACT = 2.4 ± 0.5, p = 0.04) while the comparison between ECG vs. POX gated acquisitions showed no significant differences in image quality (image quality score: ECG = 1.7 ± 0.5, POX = 2.0 ± 0.5, p = 0.34).
Conclusions
The applicability of acoustic triggering for cardiac CINE imaging at 7.0 T was demonstrated. ACT's trigger reliability and fidelity are superior to that of ECG and POX. ACT promises to be beneficial for cardiovascular magnetic resonance at ultra-high field strengths including 7.0 T.
Objective: As high-field cardiac MRI (CMR) becomes more widespread the propensity of ECG to interference from electromagnetic fields (EMF) and to magneto-hydrodynamic (MHD) effects increases and with it the motivation for a CMR triggering alternative. This study explores the suitability of acoustic cardiac triggering (ACT) for left ventricular (LV) function assessment in healthy subjects (n=14). Methods: Quantitative analysis of 2D CINE steady-state free precession (SSFP) images was conducted to compare ACT’s performance with vector ECG (VCG). Endocardial border sharpness (EBS) was examined paralleled by quantitative LV function assessment. Results: Unlike VCG, ACT provided signal traces free of interference from EMF or MHD effects. In the case of correct Rwave recognition, VCG-triggered 2D CINE SSFP was immune to cardiac motion effects—even at 3.0 T. However, VCG-triggered 2D SSFP CINE imaging was prone to cardiac motion and EBS degradation if R-wave misregistration occurred. ACT-triggered acquisitions yielded LV parameters (end-diastolic volume (EDV), endsystolic volume (ESV), stroke volume (SV), ejection fraction (EF) and left ventricular mass (LVM)) comparable with those derived fromVCG-triggered acquisitions (1.5 T: ESVVCG=(56± 17) ml, EDVVCG=(151±32)ml, LVMVCG=(97±27) g, SVVCG=(94± 19)ml, EFVCG=(63±5)% cf. ESVACT= (56±18) ml, EDVACT=(147±36) ml, LVMACT=(102±29) g, SVACT=(91± 22) ml, EFACT=(62±6)%; 3.0 T: ESVVCG=(55±21) ml, EDVVCG=(151±32) ml, LVMVCG=(101±27) g, SVVCG=(96±15) ml, EFVCG=(65±7)% cf. ESVACT=(54±20) ml, EDVACT=(146±35) ml, LVMACT= (101±30) g, SVACT=(92±17) ml, EFACT=(64±6)%). Conclusions: ACT’s intrinsic insensitivity to interference from electromagnetic fields renders
Biofuels potentially interesting also for aviation purposes are predominantly liquid fuels produced from biomass. The most common biofuels today are biodiesel and bioethanol. Since diesel engines are rather rare in aviation this survey is focusing on ethanol admixed to gasoline products.
The Directive 2003/30/EC of the European Parliament and the Council of May 8th 2003 on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport encourage a growing admixture of biogenic fuel components to fossil automotive gasoline. Some aircraft models equipped with spark ignited piston engines are approved for operation with automotive gasoline, frequently called “MOGAS” (motor gasoline). The majority of those approvals is limited to MOGAS compositions that do not contain methanol or ethanol beyond negligible amounts. In the past years (bio-)MTBE or (bio-)ETBE have been widely used as blending component of automotive gasoline whilst the usage of low-molecular alcohols like methanol or ethanol has been avoided due to the handling problems especially with regard to the strong affinity for water. With rising mandatory bio-admixtures the conversion of the basic biogenic ethanol to ETBE, causing a reduction of energetic payoff, becomes more and more unattractive. Therefore the direct ethanol admixture is accordingly favoured.
Due to the national enforcements of the directive 2003/30/EC more oxygenates produced from organic materials like bioethanol have started to appear in automotive gasolines already. The current fuel specification EN 228 already allows up to 3 % volume per volume (v/v) (bio-)methanol or up to 5 % v/v (bio-)ethanol as fuel components. This is also roughly the amount of biogenic components to comply with the legal requirements to avoid monetary penalties for producers and distributors of fuels.
Since automotive fuel is cheaper than the common aviation gasoline (AVGAS), creates less problems with lead deposits in the engine, and in general produces less pollutants it is strongly favoured by pilots. But being designed for a different set of usage scenarios the use of automotive fuel with low molecular alcohols for aircraft operation may have adverse effects in aviation operation. Increasing amounts of ethanol admixtures impose various changes in the gasoline’s chemical and physical properties, some of them rather unexpected and not within the range of flight experiences even of long-term pilots.
Low emission zones and truck bans, the rising price of diesel and increases in road tolls: all of these factors are putting serious pressure on the transport industry. Commercial vehicle manufacturers and their suppliers are in the process of identifying new solutions to these challenges as part of their efforts to meet the EEV (enhanced environmentally friendly vehicle) limits, which are currently the most robust European exhaust and emissions standards for trucks and buses.