660 Chemische Verfahrenstechnik
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Ausgehend von den allgemeingültigen Grundlagen wie sie in Technik, Human- und Zahnmedizin ihre Gültigkeit haben, werden die Kunststoffverbundsysteme insbesondere hinsichtlich ihrer dentalen Bedeutung beschrieben. Nach einer Abhandlung der theoretischen Grundlagen zur Haftung wird anhand der Literatur ein umfassender Oberblick über die dentalen Werkstoffverbunde auf Kunststoffbasis gegeben. Hierbei werden die Verbunde zu Metallen, Gläsern und Keramiken ebenso berücksichtigt wie zu den natürlichen Zahnhartsubstanzen. Die Problemstellung der eigenen Untersuchungen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, liegt in der Erforschung unterschiedlicher Konditionierungsmethoden für die natürlichen Zahnhartsubstanzen sowie der Synthese eigener Haftvermittler, mit der Zielsetzung, eine verbesserte Haftung vor allem zum Dentin zu erreichen. Die Auswahlkriterien, Synthese, Analytik und Auswirkung der eigenen Haftvermittler auf die natürlichen Zahnhartsubstanzen werden beschrieben. Zur Untersuchung wird das Rasterelektronenmikroskop eingesetzt, und es werden Abschertests durchgeführt. Weiterhin werden unterschiedliche Präparations- und Entwässerungsmethoden für die natürlichen Zahnhartsubstanzen untersucht und beschrieben. Abschließend wird eine Theorie zum Verbund Kunststoff/Zahn entwickelt, und es werden Empfehlungen gegeben, um diesen Verbundmechanismus zu verbessern.
Membrane proteins play vital role in a variety of cellular processes, such as signal transduction, transport and recognition. In turn they are involved in numerous human diseases and currently represent one of the most prevalent drug targets. A comprehensive understanding of the mechanisms mediated by membrane proteins requires information about their structures at near-atomic resolution, although structural studies of membrane proteins remain behind those of soluble proteins. A bottleneck in the study of membrane proteins resides in the difficulties that are encountered during their high-level production in cell based systems. However, many toxic effects attributed to the over production of membrane proteins are eliminated by cell-free expression, as viable host cells are no longer required. Therefore, the objective of this study was to obtain adequate amounts of selected membrane transport proteins for their structural studies using a cell-free expression system. For the establishment of the cell-free system for membrane proteins, the transporters YbgR and YiiP from Salmonella typhimurium LT2, PF0558 and PF1373 from Pyrococcus furiosus, from the cation diffusion family (CDF), BetP from Corynebacterium glutamicum from the betaine/carnitine/choline transporter (BCCT) family and Aq-2030 from Aquifex aeolicus VF5 from the monovalent cation/proton antiporter-2 (CPA2) family were selected. An Escherichia coli S-30 extract based cellfree system was established by generating the best expression constructs of the target proteins, preparing T7 RNA polymerase and an S-30 extract with high translation efficiency. The functionality of the S-30 extract was shown by the cell-free expression of correctly folded Green Fluorescent Protein (GFP). Essential factors of the cell-free system such as the Mg2+ concentration, the bacterial S-30 extract proportion in the reaction mixture and the time-course of cell-free reactions have been optimized. For the cell-free production of membrane proteins in soluble form, the possibility to supplement cell-free reactions with detergents was explored. A wide range of non-ionic or zwitterionic detergents, were found to be compatible with cell-free synthesis, while ionic detergents and non-ionic detergents at high concentrations had an inhibitory effect. Moreover, high concentrations of polyoxyethylene-alkyl-ethers (Brij) detergents were found to have enhancing effect on the production levels as well as on the solubility of cell-free produced proteins. As membrane proteins tend to misfold and aggregate in a membrane-free translation system, the possibility to supplement the cell-free reactions with inner membrane vesicles (IMVs) to obtain correctly folded target transport proteins was explored. All the target proteins were successfully produced in the batch cell-free reactions and were found to be incorporated in the IMVs. A continuous exchange cell-free (CECF) system was established, where consumable substrates (amino acids, nucleotides and energy regenerating compounds) were supplied to the cell-free reaction mixture through a dialysis membrane, which in consequence resulted in high-level production of target proteins compared to the batch system. The osmosensing and osmoregulated sodium-coupled symporter BetP from C. glutamicum was chosen for the large scale production in CECF set-up. The protein is easily produced in E. coli and is functional as assayed by its transport activity, after purification and reconstitution in liposomes. It is therefore possible to compare in-vivo and cell-free production. High-level cell-free production of BetP was achieved in CECF mode in different forms: (i) as precipitate, (ii) as soluble form in detergent, and (iii) incorporated in IMVs. Cell-free production of BetP resulted in the yield of about 0.5 mg of purified BetP from 1 ml of CECF reaction. The yield of purified BetP was increased to 1.6 fold by addition of 1% polyoxyethylene-(20)-cetyl-ether (Brij58) detergent in the reaction mixture. Moreover, the high level cell-free production of BetP (0.5 mg purified BetP/ml reaction mixture) incorporated in IMVs was shown for the first time in this work.However, it was observed that oligomerization of BetP was not efficient in the cell-free system. Factors that can promote the folding of membrane proteins such as lipids and chaperones were investigated. Addition of lipids and molecular chaperone GroE facilitated correct folding of BetP resulting in increased yield and stability of cell-free produced BetP. The results obtained indicate that most of the cell-free produced BetP exists in functional oligomeric form. The possibility of obtaining milligram amounts of BetP, a 12 trans-membrane protein from the cell-free reactions holds promise for structural and functional studies of other membrane proteins. In any case, the strategies adapted in this study should prove extremely valuable for the production of membrane proteins in the E. coli cell-free expression system.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die katalytische Wirkung von massenselektierten Edelmetallclustern in photographischen Entwicklern an möglichst praxisnahen photographischen Modellsystemen untersucht, um die bei der Belichtung und der anschließenden Entwicklung von photographischen Filmmaterialien ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können. Hierzu wurden präformierte und anschließend massenspektrometrisch größenselektierte Edelmetallclusterionen sanft auf photographische Emulsionskörner aufgebracht und anschließend untersucht, wie die deponierten Clusterionen die chemische Reduktion dieser gelatinefreien Silberhalogenid-Mikrokristalle im Entwickler beeinflussen. Apparatives Kernstück ist eine in den letzten drei Jahren in der Arbeitsgruppe von Prof. L. Wöste an der Freien Universität in Berlin entwickelte Anlage mit der es möglich ist, Edelmetallcluster definierter Größe in so ausreichender Menge durch Sputtern zu erzeugen, daß auch nach kurzen Depositionszeiten genügend viele Cluster auf Oberflächen deponiert werden können. Hohe Teilchenströme von Silbercluster-Kationen wurden über einen weiten Größenbereich (Ag1 + -Ag34+) erzeugt. Der Silbercluster mit der geringsten Intensität im Spektrum, das besonders interessante Ag4 +, wurde mit einem Clusterstrom von 800 pA bei guter Massenauflösung erzeugt. Für Silbercluster-Anionen erzielt man annähernd die gleichen Teichenströme wie für die entsprechenden -Kationen. Durch Sputtern von Gold-Silber-Mischtargets ließen sich AunAgm+-Clusterionen bis zu einer Masse von 2200 amu erzeugen. Um die Forderung nach einem langsamen Aufbringen der Cluster auf die Oberfläche („soft landing“) zu erfüllen, wurden die Cluster mit Hilfe von zwei mit Stoßgas gefüllten Quadrupolen abgebremst. Durch die so verwirklichte sanfte Deposition der Cluster ist es erstmals gelungen, die photographische Wirkung der auf primitive Emulsionskörner deponierten Cluster in definierter, reproduzierbarer und daher aussagekräftiger Weise zu untersuchen. Das war möglich, weil die Depositionsenergien der Cluster (< 1 eV) unterhalb der Bindungsenergien der hier deponierten Edelmetallcluster liegen und somit eine Verfälschung der Resultate durch Fragmentation der Clusterionen ausgeschlossen werden konnte. Es konnte nachgewiesen werden, daß erst ab Depositionsenergien von ³ 5 eV eine vermehrte Fragmentation der Cluster zu erwarten ist. Ob ein Silbercluster an einem Emulsionskorn dessen bevorzugte Entwickelbarkeit einleitet, hängt nicht nur von der Größe des Aggregates und seiner Ladung ab, sondern auch vom Redoxpotential des photographischen Entwicklers. Positiv geladene Silbercluster aus mindestens vier Atomen (Agn+, n³4) katalysieren den Entwicklungsprozeß der Emulsionskörner bei Redoxpotentialen, die negativer als -310 mV (Ag/AgCl-Referenzelektrode) sind. Aber auch Ag3+-Cluster führen noch zu einer Entwickelbarkeit, wenn das Redoxpotential unterhalb -350 mV liegt. Im Gegensatz zu Ag3+-Clustern können Ag3--Cluster, ebenso wie Ag4+-Cluster, die Entwicklung bereits bei einem Redoxpotential von -310 mV katalysieren. Kleinere Silberaggregate, ob positiv oder negativ geladen, führen nicht zu einer bevorzugten Entwickelbarkeit der mit ihnen belegten Silberhalogenidkörner. Ein Einfluß der Kornmorphologie (Kuben, Oktaeder, T-grains) auf die kritische Clustergröße konnte nicht nachgewiesen werden. Erstmals war es auch möglich, Gold-Silber-Mischclusterionen auf ihre photographische Wirkung hin zu untersuchen. Dabei zeigte sich, daß die katalytische Wirkung von Gold-Silber-Mischclusterionen auf die Entwickelbarkeit der sie enthaltenden Emulsionskörner allein durch den Silberanteil der Cluster bestimmt wird. Mischcluster Ag1Aum+ (m³2) und Ag2Aum+ (m³1) katalysieren die Entwicklung nicht, unabhängig vom Redoxpotential. Dagegen leiten Ag3Aum + (m³2), entsprechend den Agn+-Clustern (n³4) bei Redoxpotentialen negativer als -310 mV die Entwicklung ein. Mischcluster mit höherem Silberanteil (AgnAum+; n³4, m³1) ändern ihre katalytische Wirkung gegenüber reinen Silberclustern entsprechender Größe nicht. Erstmals konnte auch der Begriff „Goldlatensifikation“ präzisiert werden. Die hier gefundnen Ergebnisse zeigen eindeutig, daß von einer solchen nur dann gesprochen werden kann, wenn sich die Goldatome an das Trimer anlagern. Dagegen kann die alleinige Substitution von Silber durch Gold sowohl als empfindlichkeitssteigernder Mechanismus bei der Goldlatensifikation als auch bei der Goldreifung ausgeschlossen werden. Reine Goldcluster-Kationen bis zum Au7 + zeigen keine katalytische Wirkung.
Das Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung der Einsatzmöglichkeiten eines mikrostrukturierten Reaktorsystems in der heterogenen Katalyse. Hierzu wurde eine Reaktion herangezogen, welche typische Problemstellungen der heterogenen Katalyse abbildet. Zu diesen Problemen gehören Temperaturkontrolle, sichere Handhabung von explosiven Gasgemischen und das Erzielen von zufriedenstellenden Selektivitäten. Die Reaktion sollte außerdem bereits gut untersucht worden und die Prozessparameter aus der Literatur bekannt sein. Aus diesem Grund wurde die Partialoxidation von Ethen zu Ethenoxid an Silberkatalysatoren gewählt. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktion in einem Mikrostrukturreaktorsystem sicher durchführbar ist. Vor allem wurde an einer ganzen Reihe von Beispielen veranschaulicht, dass eine herausragende Eigenschaft des Mikrostrukturreaktors seine inhärente Explosionssicherheit ist. Gasgemische, welche sich mitten im explosiven Gemischbereich befanden, konnten bei Drücken von 2 bis 20 bar und Temperaturen von 230 bis 310 °C sicher gehandhabt werden. So konnte gezeigt werden, dass der Mikrostrukturreaktor sich dazu eignet Reaktionen mit explosiven Gasgemischen durchzuführen. Die Verwendung von Mikrostrukturreaktoren in der heterogenen Katalyse befindet sich noch im Anfangsstadium. Um Probleme bei der Übertragung von Katalysatorsystemen auf ein System mit Mikrostruktur zu vermeiden, erfolgte zunächst der Einsatz von Vollsilberkatalysatoren. Die Mikrostruktur wurde deshalb aus dem katalytisch aktiven Material selbst hergestellt. Die Herstellung wurde auf drei unterschiedliche Weisen (LIGA-, Ätz- und Sägeverfahren) durchgeführt. So konnte gezeigt werden, dass eine Kostenreduzierung bei der Darstellung von Mikrostrukturen möglich ist. Der Nachteil der Nutzung von Vollsilber war, dass sich deutlich schlechtere Selektivitäten bei der Partialoxidation von Ethen ergaben. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass mit dem Mikrostrukturreaktor die Selektivitäten für Vollsilber im Schnitt 10 % über denen für Rohrreaktorexperimenten bei gleichen Umsätzen lagen. Die effektive Wärmeabführung und die homogene Verteilung der Wärme über den Mikrostrukturreaktor scheinen eine Verbesserung der Selektivität zu erbringen. Kinetische Untersuchungen zeigten, dass sowohl durch Anheben des Partialdrucks von Ethen als auch von Sauerstoff eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit erzielt werden kann. Dabei wurde für Ethen eine formale Reaktionsordnung bei der Bildung von Ethenoxid von 0,53 gefunden, während sie für Sauerstoff 0,78 betrug. Mit diesen Untersuchungen wurde verdeutlicht, dass ein Erhöhen des Sauerstoffpartialdrucks einen positiven Einfluss auf die Selektivität hat. So konnte durch Anheben der Sauerstoffkonzentration von 5 %, wie es in industriellen Prozessen aus Sicherheitsgründen notwendig ist, auf bis zu 95 % eine Verbesserung der Selektivität von bis zu 15 % erzielt werden. Über diesen Sachverhalt wurde zwar bereits in der Literatur (16) berichtet, jedoch erfolgten die Untersuchungen hierfür unter Hochvakuumbedingungen. Der Mikrostrukturreaktor ermöglichte einen Nachweis dieses Phänomens auch unter Hochdruckbedingungen, wie sie für industrielle Reaktoren üblich sind. Damit konnte ein in der heterogenen Katalyse bekanntes Problem, nämlich die Übertragung von Erkenntnissen aus Ultrahochvakuumexperimenten auf Hochdruckbedingungen (pressure-gap), untersucht werden. Eine wissenschaftliche Prüfung, ob dem Ergebnis die gleichen Ursachen sowohl im Ultrahochvakuum als auch bei Hochdruckbedingungen zugrunde liegen, muss noch erfolgen. Es zeigte sich aber auch, dass durch eine Verweilzeiterhöhung keine weitere Verbesserung der Raum-Zeit-Ausbeute möglich ist. Vielmehr wurde klar, dass Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität mit längeren Verweilzeiten abnehmen. Als Grund hierfür konnte die Bildung von elementarem Kohlenstoff an der Silberoberfläche festgestellt werden. Aufgrund der Limitierung bei der Verweilzeit wurden maximale Umsätze von 24 % erzielt. Der Einsatz von 1,2-Dichlorethan als Oxidationsinhibitor für Vollsilber wurde ebenfalls untersucht. Dabei konnte die Selektivität auf bis zu 69 % gesteigert werden. Es erfolgte jedoch eine Einbuße an Aktivität von etwa 42 %. Es ist bekannt, dass die Oberflächenmorphologie von Silberkatalysatoren unter Reaktionsbedingungen starke Veränderungen erfährt. (68) Es wurde aufgezeigt, dass dies für die Oberfläche von mikrostrukturierten Silberfolien ebenfalls festzustellen ist. Dabei wurde gleichzeitig festgestellt, dass die Katalysatoren trotz unterschiedlicher Herstellungsmethoden und den daraus resultierenden unterschiedlichen Oberflächenmorphologien vergleichbare Aktivitäten aufweisen. Industriell verwendete Katalysatoren basieren auf alpha-Aluminiumoxid als Trägermaterial. Dabei wurde bereits seit vielen Jahren an Optimierungen des Katalysators gearbeitet. Durch das Einstellen der spezifischen Oberfläche und Partikelgröße des Silbers und den Einsatz von Alkali- und Erdalkalimetallen als Promotoren werden so Katalysatoren hergestellt, welche eine Selektivität von 80 % besitzen. Die Übertragung dieser Erkenntnisse auf ein Mikrostrukturreaktorsystem kann nicht ohne weiteres vorgenommen werden. Es wurden verschiedene Darstellungsmöglichkeiten für eine alpha-Aluminiumoxidschicht in einem Mikrostrukturreaktor untersucht. Dabei zeigte sich, dass nur die direkte Darstellung von alpha- Aluminiumoxid ohne Phasenumwandlung aus anderen Modifikationen erfolgversprechend ist. Eine Darstellung der Aluminiumoxidschicht durch Sol-Gel- oder CVD-Prozesse war nicht erfolgreich, da die für die Phasenumwandlung von gamma-Aluminiumoxid nach alpha-Aluminiumoxid notwendige Temperatur von 1100 °C die Ausbildung einer Eisenoxidschicht an der Oberfläche der mikrostrukturierten Edelstahlfolien zur Folge hatte. Diese eignete sich nicht als Träger. Alternativ wurde erfolgreich der Einsatz von aluminiumhaltigen Edelstählen untersucht. Diese bilden beim Ausheizen bei 1100 °C eine alpha-Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche aus, welche mittels Sputtern mit Silber geträgert wurde. Katalytische Untersuchungen zeigten, dass mit dem Einsatz von alpha-Aluminiumoxidträgern eine Verbesserung der Selektivität im Vergleich zu Vollsilber von 17 % erreicht werden kann. Gleichzeitig konnte anhand eines Gegenüberstellens von katalytischen Daten mit TEM-Aufnahmen der Sputterschichten festgestellt werden, dass eine geschlossene Silberschicht an der Oberfläche notwendig ist, um eine zufriedenstellende Aktivität und Selektivität zu erzielen. Während bei Schichtdicken von 1 nm noch einzelne Silberinseln an der Oberfläche zu finden sind, liegt bei einer Schichtdicke von 5 nm eine fast geschlossene Silberschicht vor. Ein Anheben der Schichtdicke ergab keine weitere Verbesserung der Aktivität oder Selektivität. Dagegen ergab der Einsatz von 1,2-Dichlorethan eine weitere Steigerung der Selektivität auf 77 %. Industriell eingesetzte Rohrbündelreaktoren erreichen im Sauerstoffverfahren eine Selektivität von 80 %. Die hier erzielten 77 % Selektivität bei vergleichbaren Umsätzen zeigt, dass der Einsatz eines Mikrostrukturreaktors für die Synthese von Ethenoxid möglich ist, vor allem unter dem Gesichtspunkt, dass Potenzial für die Optimierung von Reaktoren und die Katalysatorpräparation besteht. Die Nutzung von Reaktionsbedingungen, wie Ethen in reinem Sauerstoff, und der daraus resultierenden Verbesserung für Aktivität und Selektivität, ermöglichen Raum-Zeit-Ausbeuten, die über denen von Industriereaktoren liegen. Ob Mikrostrukturreaktoren in industriellen Prozessen jemals eingesetzt werden, hängt allein von ökonomischen Faktoren ab. Dazu müsste die Selektivität über die bestehenden 80 % angehoben werden. Zur Zeit entfallen 80 % der Produktionskosten von Ethenoxid auf den Rohstoff Ethen, so dass jeder Prozentpunkt, um den die Selektivität angehoben werden könnte, eine deutliche Kosteneinsparung mit sich brächte und darüber entschiede, ob ein neuer Prozess eingeführt wird. Hierzu wäre es auch notwendig, die Kosten für die Produktion der Mikrostrukturreaktoren pro Volumeneinheit um mehrere Größenordnungen zu reduzieren. Außerdem müssten Lösungen entwickelt werden, welche die Peripherie des Reaktors betreffen, vor allem die Heizung und die Gasversorgung. Im Rahmen dieser Arbeit sollte überprüft werden, welche Leistungsfähigkeit ein Mikrostrukturreaktorprozess im Vergleich zu einem bestehenden Prozess besitzt. Es konnte dargestellt werden, dass Raum-Zeit-Ausbeuten über denen eines Industriereaktors erzielt werden können bei vergleichbareren Selektivitäten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Mikrostrukturreaktor ein geeignetes Werkzeug ist, welches helfen kann, Reaktionen unter bisher nicht einfach zugänglichen Bedingungen durchzuführen.