Universiẗat, Diss., 2005--Köln.

Thermoplastische Kunststoffe (sog. Thermoplaste) lassen sich in einem be-stimmten Temperaturbereich beliebig oft schmelzen und in einer gewünschten Form erstarren. Grundvoraussetzung für eine bestimmte Anwendung eines thermoplastischen Bauteils sind die Gebrauchseigenschaften des Materials, die im Wesentlichen vom Ablauf der Erstarrung abhängen. Die Moleküle einiger Thermoplaste können bei der Erstarrung geordnete kristalline Bereiche bilden. Dies sind die sog. teilkristallinen Kunststoffe, deren Erstarrungsprozess Kristallisation genannt wird. Die dabei entstehenden Kristallstrukturen werden zusammen mit deren Charakteristiken allgemein als Morphologie der teilkristallinen Kunststoffe bezeichnet. Die Morphologie hat einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften des Materials. Dementsprechend stellen Kenntnisse über die Kristallisation eine wertvolle Hilfe bei der Vorhersage der Gebrauchseigenschaften eines teilkristallinen Kunststoffs dar. Um die Kristallisation zu starten, muss zunächst eine Energiebarriere überwunden werden, die an erster Stelle vom molekularen Aufbau des Kunststoffs abhängt. Somit weisen beispielsweise Kunststoffe mit linearen, regelmäßigen Molekülen und kleinen Seitengruppen eine niedrigere Energiebarriere und aus diesem Grund eine starke Neigung zur Kristallisation auf. Einige Zusatzstoffe wie z. B. unterschiedliche Additive, Farbstoffe oder Füllstoffe können die Energiebarriere und infolgedessen die Kristallisation eines teilkristallinen Kunststoffs wesentlich beeinflussen. Das Ziel dieser Dissertation war es, ein bestehendes Kristallisationsmodell zu erweitern und es an gefüllte oder additivmodifizierte teilkristalline Kunststoffe anzupassen. Das erweiterte Modell soll die Ermittlung eines Kristallisationspa-rameters, des sog. Keimbildungsexponenten, eines gefüllten oder additivmodifizierten teilkristallinen Kunststoffs bei der nicht-isothermen Kristallisation ermöglichen. Der Keimbildungsexponent ist mit der erwähnten Energiebarriere eng verbunden und bestimmt somit den Ablauf des Kristallisationsprozesses bzw. die daraus folgende Morphologie. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit lag darin, die vorgeschlagene Modellerweiterung bei verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten zu überprüfen. Im Anschluss sollten die Beziehungen zwischen den berechneten Keimbildungsexponenten und experimentell ermittelten me-chanischen Eigenschaften (E-Modul, Streckspannung und Schlagzähigkeit) überprüft werden. Für die Untersuchungen wurden drei verschiedene Polymersysteme verwendet: PP / Talkum, HDPE / Talkum sowie PA6 / Bentonit. Hierbei weist der Füllstoff eine stark positive, schwach positive bzw. inhibierende Wirkung auf die Kristallisation der entsprechenden Polymermatrix auf. Hinsichtlich reiner Polymere wurde eine gute Übereinstimmung zwischen den ermittelten und Literaturwerten des Keimbildungsexponenten festgestellt. Die Zugabe von positiv wirkendem Talkum in PP bzw. HDPE führt zu einer Abnah-me des Keimbildungsexponenten, was zu dickeren Kristallen des jeweiligen Kunststoffs führte. Im Gegensatz dazu bewirkte die Bentonitzugabe einen zu-nehmenden Keimbildungsexponenten, was anschließend dünnere PA6-Kristalle zur Folge hat. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen außerdem, dass die Füllstoffpartikelgröße einen ausgeprägten Einfluss auf den ermittelten Keimbildungsexponenten hat. Weiterhin wurde festgestellt, dass der ermittelte Keimbildungsexponent durch die (DSC)-Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst wird. Es wurde ferner gezeigt, dass sich dieser Einfluss ab einer bestimmten Abkühlgeschwindigkeit (20 K/min im Falle des PP und HDPE bzw. 15 K/min im Falle des PA6) nicht mehr ändert, was zu einem konstanten Keimbildungsexponenten führt. Um den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die modellierte Größe zu berücksichtigen, sind weitere Untersuchungen nötig. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen weiterhin, dass der berechnete Keimbildungsexponent mit den experimentell ermittelten Werten für E-Modul, Streckspannung und Charpy-Schlagzähigkeit bei talkumgefülltem PP gut korreliert. Solche Korrelationen wurden jedoch bei den HDPE- und PA6-Proben nicht gefunden. Der Grund hierfür könnte eine ausgeprägte Orientierung der HDPE-Makromoleküle bzw. ein starker mikromechanischer Effekt des exfolierten Bentonits sein. Diese Effekte konnten im Rahmen der Arbeiten bestätigt werden. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Mo-dellerweiterung auch bei gefüllten oder additivmodifizierten Kunststoffen zufriedenstellende Resultate liefert. Die entsprechende Berechnung erfordert dabei lediglich eine DSC-Messung, was im Vergleich zum Stand der Technik in einen niedrigeren Messaufwand resultiert. Die vorliegende Arbeit liefert daher einen signifikanten Beitrag zur Erstellung des Zusammenhangs zwischen der Kristallisation, der Morphologie und dem mechanischen Verhalten von teilkristallinen Polymeren. / Thermosoftening polymers, also called thermoplastics, can be repeatedly melt-ed and solidified into a desired shape in a certain temperature range. The basic requirements for a particular application of a thermoplastic component are its functional characteristics, which significantly depend on the solidification pro-cess. The molecules of some thermoplastics can form ordered crystalline regions during the solidification process. These are so-called semi-crystalline polymers, whose solidification process is called crystallization. The resulting crystal struc-ture elements, together with their properties, are commonly referred to as the morphology of semi-crystalline polymers. The morphology has a significant in-fluence on the mechanical, thermal and optical properties of the material. Ac-cordingly, knowledge about the crystallization is a valuable aid in predicting the final properties of a semi-crystalline polymer. In order for the crystallization to start, it is necessary for an activation energy barrier to be overcome. The activation energy barrier depends on the molecular structure of the polymer. Polymers with linear, regular molecules and small side groups possess a low activation energy barrier and therefore crystallize most easily. Some ingredients, such as various additives, pigments or fillers, can significantly affect the energy barrier and consequently the crystallization of a semi-crystalline polymer. The aim of this thesis was to extend an existing crystallization model and adapt it to filled or additive-modified semi-crystalline polymers. The extended model should allow the determination of a crystallization parameter, the so-called nu-cleation parameter of filled or additive-modified semi-crystalline polymers during non-isothermal crystallization. The nucleation parameter is closely connected with the activation energy barrier and thus determines the crystallization process and consequentially the resulting morphology. An important task in this work was to verify the proposed model extension for different cooling rates. In addition, the correlations of the calculated nucleation parameter with experimentally determined mechanical properties (Young’s modulus, yield stress and impact strength) are established and discussed. In this research, three different polymer systems were used: PP / talc, HDPE / talc and PA6 / bentonite. In these three materials, the filler has a strong positive, a weak (positive) and a negative influence on the crystallization of a given polymer, respectively. A good agreement between the values of the nucleation parameter determined in this work and those found in literature was obtained as regards pure poly-mers. The addition of positive-acting talc in PP and HDPE leads to a decreased nucleation parameter, resulting in an increase of the crystal thickness of PP and HDPE. By contrast, the addition of bentonite increases the nucleation parameter of PA6 and therefore leads to a decrease in the crystal thickness of PA6. It was also shown that the filler particle size has a significant influence on the nucleation parameter. Furthermore, it was shown that the DSC cooling rate up to a certain value (20 K/min as regards PP und HDPE i.e. 15 K/min regarding PA6) has an influence on the determined nucleation parameter. Afterwards, the nucleation parameter reaches a plateau and shows no further changes with the cooling rate. To be able to add the influence of the cooling rate into the model, further studies are needed. Furthermore, it was shown that the obtained nucleation parameters correlates well with the Young modulus, yield stress and impact strength as regards PP filled with talc. In contrast to PP, such correlations were not found for HDPE and PA6 samples. The possible reason for the absence of correlations could be the orientation of the HDPE molecules, i.e. the strong reinforcing effects of the intercalated bentonite in PA6. These effects were confirmed in the scope of the work. The results obtained in this work show that the proposed model extension is applicable as regards filled semi-crystalline polymers. In comparison to the state of the art, the proposed model extension requires only a single DSC-measurement resulting in a lower measuring expenditure. Therefore, the pre-sent work provides a significant contribution to establishing the mathematical relationship between the crystallization, morphology and the mechanical behavior of semi-crystalline polymers.

There are significant differences in the metabolism of nutritional substrates in polytrauma patients. The actual metabolic needs of the patient may not be achieved despite the guidelines and recommendations for energy supply in the parenteral and enteral form of nutrition are followed. Subsequently this may lead to the occurrence of complications. The aim of the study was to compare the energy intake of each nutrient substrate supplied with nutrition by finding the nutritional substrate utilisation value which is obtained from indirect calorimetry measurements in patients with multiple injuries at the surgical ICU 1 of the Hradec Králové Teaching Hospital. By comparing this data you can obtain the optimum value for the nutritional needs of the patients. In the study we used seven spontaneously breathing polytrauma patients, three women and four men, of an average age of 41±21 years. Utilisations of nutritive substrates of each patient were obtained by indirect calorimetry. Accurate information on the amount and composition of nutrition supplied over 24 hours was also obtained. The patients received an average of 3.80±1.40 g/kg/day of carbohydrates, 1.03±0.56 g/kg/day of lipids and 1.40 ± 0.44 g/kg /day of proteins. The total energy intake was on average 30.94±11.03 kcal/kg/day. In six of seven...

In der Arbeit wird der Einsatz kalorimetrischer Methoden zur Bestimmung der katalytischen Aktivität von Enzymimmobilisaten gezeigt. Für die Untersuchung sphärischer Immobilisate wurde ein Strömungskalorimeter eingesetzt. Es wurde ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem die kinetischen Parameter des immobilisierten Enzyms aus der gemessenen Temperaturdifferenz berechnet werden können. Durch Untersuchungen an Modellimmobilisaten wurde gezeigt, dass das Strömungskalorimeter im Impulsbetrieb zum schnellen Screening der Aktivität geeignet ist. Am Beispiel der Enzymimmobilisierung in Sol-Gel-Schichten wurde der Einsatz der Impulsmethode für die Optimierung von Immobilisierungsvorschriften gezeigt. Zur Untersuchung flächiger Immobilisate wurde ein IC-Kalorimeter eingesetzt. Um kinetische Aussagen zu erzielen, wurde das IC-Kalorimeter hinsichtlich Empfindlichkeit und dynamischen Verhaltens charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die kalorimetrisch und photometrisch bestimmten Geschwindigkeitskonstanten für die Immobilisate übereinstimmen.

Gegenstand dieser Arbeit sind systematische Untersuchungen zu den Anwendungsmöglichkeiten der am Institut für Physikalische Chemie entwickelten IC-Kalorimeter im Bereich flüssiger Reaktionssysteme, mit Schwerpunkt auf enzymkatalysierten Reaktionen. Dazu kamen IC-Durchfluss- und IC-Batch-Kalorimeter zum Einsatz, mit denen durch Zusammenführung zweier Lösungen initiierte Mischungs- und Reaktionsprozesse untersucht werden können. Anhand einer Vielzahl untersuchter Reaktionssysteme wird unter stofflichen und methodischen Gesichtspunkten aufgezeigt, unter welchen Bedingungen ein Einsatz der IC-Kalorimeter sinnvoll erscheint. Außerdem werden für die miniaturisierten kalorimetrischen Anordnungen spezifische Aspekte diskutiert; u. a. Probleme bei der elektrischen Kalibrierung und die Nachweisgrenzen bzgl. der bei einem zu detektierenden Prozess mindestens zu generierenden Wärme bzw. Wärmeleistung. Beide IC-Kalorimeter konnten durch konstruktive Veränderungen gegenüber vorhandenen Anordnungen in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert werden.

Im Rahmen der Dissertation wurden die Wechselwirkungen gasförmiger Enantiomere mit chiralen Rezeptorschichten thermodynamisch untersucht. Ziel war es, die thermodynamischen Daten, freie Enthalpie (ΔG), Enthalpie (ΔH) und Entropie (ΔS) des Absorptionsprozesses zu bestimmen. Die Ermittlung der enthalpischen Komponenten erfolgte mittels der am Institut für Physikalische Chemie weiterentwickelten IC-Kalorimetertechnik. Die absorbierte Stoffmenge kann mit Quarzmikrowaagen unter ähnlichen experimentellen Bedingungen wie am IC-Kalorimeter bestimmt werden. Als Stoffsysteme für erste Untersuchungen wurden die Enantiomere des Milchsäuremethylesters und des 2-Chlorpropionsäuremethylesters gewählt. Als chiraler Rezeptor fanden modifizierte γ-Cyclodextrine Verwendung. Die experimentellen Daten wurden mit einem Absorptionsmodell beschrieben, welches den Gesamtprozess in einen chiral-spezifischen und einen achiral-unspezifischen Anteil gliedert. Die so erhaltenen thermodynamischen Daten lieferten neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungsmechanismen chiraler Gastmoleküle in Cyclodextrinen.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur mikrobiellen Aktivität von Pseudomonas putida DSM12735 durchgeführt. Als Messgröße diente die mikrobielle Wärmeleistung, basierend auf dem Stoffumsatz durch die Mikroorganismen. Ziel war es, die Vor- und Nachteile der verwendeten Kalorimeter herauszuarbeiten. Dafür wurden klassische Batch-Wachstumskurven aufgenommen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine Methode zur schnellen kalorimetrischen Detektion der mikrobiellen Aktivität insbesondere für die stationäre Phase zu entwickeln. In dieser Phase findet kein signifikanter Stoffumsatz statt. Durch das gezielte Auslösen einer zweiten Wachstumsphase und damit einem Stoffumsatz wird die mikrobielle Aktivität kalorimetrisch wieder messbar. Eingesetzt wurden folgende Kalorimeter: der Thermal Activity Monitor 2277 (TAM) mit den Kalorimetern Micro Reaction System 2250-4 ml und 2250-20 ml (kurz: TAM-4ml, TAM-20ml), das IC-Chip-Kalorimeter FCC22 (Institut für Physikalische Chemie, TU Freiberg) und das Kalorimeter Micro-DSC II (MDSC).

Over the last years, varieties of technologies for biofilm analysis were developed and established. They work on different principles and deliver information about biofilms on different information levels. In this work, chip-calorimetry was applied as an analytical tool that measures heat produced from biofilms. Any change of metabolism in biofilms is reflected by a changed heat flow. The heat, which is the integral of the heat flow vs. time, is quantitatively related to the growth stoichiometry of the biofilm, as described by the Hess’ Law. The heat flow is related to the growth kinetics with the reaction heat as proportionality factor. The results from the calorimetric measurement thus, deliver general information about growth stoichiometry and kinetics. The other interpretation of calorimetric results bases on the assumed proportionality between heat flow and oxygen consumption rate (- 460 kJ/mol ). This ratio is called oxycaloric equivalent. Because in case of aerobic growth the majority of oxygen is consumed in catabolic processes during the electron transport phosphorylation, calorimetry is assumed to provide information about the catabolic side of the metabolism. The newly developed chip-calorimeter applied in this work is much more suitable for biofilm studies compared to conventional microcalorimeters due to the flow-through design of the calorimetric chamber. The measurement of undisturbed growing biofilms and the comparison with conventional biofilm analysis tools (i.e. plate counts, confocal laser scanning microscopy (CLSM), and the determination of intermediates’ concentrations (e.g. ATP)) demonstrate the proper functionality of the calorimetric method and the related cultivation procedure by delivering measurement results in the range of literature values. However, when the biofilms were challenged with antimicrobial agents i.e. antibiotics, bacteriophage, and predatory bacteria, the calorimetric results surprisingly deviated from the reference analyses. By combining the results of the calorimetric and reference analyses, additional information about the antimicrobial effects on biofilms can be acquired. Combination of heat measurement and plate counts, which is one of the most conventional approaches, demonstrated that antimicrobials (especially the bactericidal acting kanamycin) could cause the loss of culturability while the cells were still metabolically active. The measurement of ATP content resulted in values out of the typical range, which indicated that antimicrobial treatments disturbed the cellular ATP regulation and the ATP concentration was no longer linearly correlated to the cell number. ATP measurements are therefore not suitable for antimicrobial susceptibility testing. The comparison of heat profiles with the biovolume determined by quantification of microscopic images shows an elevated cell specific heat production rate after the introduction of some antimicrobials (antibiotics and bacteriophage). In case of antibiotics, this can be explained as a consequence of the bacterial defense mechanisms. Most of the described defense mechanisms against antibiotics need biological energy and therefore drive the electron transport phosphorylation (ETP). In case of biofilm treatments with bacteriophage, the trigger of increasing ETP might be the synthesis of phage proteins, hull material, and genetic information molecules. In aerobic conditions, oxygen is used as terminal electron acceptor. Elevated ETP leads therefore to an increase in oxygen consumption, which correlates to the heat production using oxycaloric equivalent as a factor. These correlations explain the increase of cell specific heat productions as biofilms were challenged by antibiotics and bacteriophage. However, also a decrease of specific heat production was observed (in case of predatory bacteria). Here, the predatory bacteria activity caused various damages in host cells, including the interruption of ETP. With these experiments, chip-calorimetry was demonstrated as a promising complementary tool in biofilm research, which provides deeper insights about metabolic activity and alterations. It benefits from the noninvasive handling and the online, real-time measurement that allow the method to be applied for monitoring purposes. Furthermore, its miniaturized dimension allows easy integration in more complex analytic systems and also reduces experiment costs with minimal media/chemical consumption. This thesis also demonstrates the potential development of chip-calorimetry to be more suitable for routine analyses. The use of superparamagnetic beads as matrix to grow biofilms allows regulated transfer of biofilm samples into and from the measurement chamber. This was an initial step towards automation and higher-throughput analysis. One further outcome of the thesis is based on the highly interesting fact about the elevated heat production rate of the host cells induced by the phage infection observed in the chip- calorimetric experiments. The volume specific detection limit of the chip-calorimeter is lower compared to a commercial microcalorimeter. Thus, the infection effect of phages was additionally measured in microcalorimeter to get better quantitative information about the thermal effect of the infection. The results showed that the immediate heat increase after the addition of phage into the solution of the host cells appeared to be quantitatively related to the infection factor, MOI (Multiplicity of Infection). Unfortunately, microcalorimetric measurements in closed ampoules are often subjected to the oxygen limitation. Thus, this problem of microcalorimetric measurement has been addressed. The combination of experimental results and mathematical modeling showed that the rate of metabolism in the static ampoules is defined by the diffusion rate of oxygen into media. This factor has to be considered while designing biological experiments in closed calorimetric measuring chambers and interpreting the calorimetric results for their biological meaning. Some possible solutions to overcome the oxygen bioavailability problem are e.g. to design the experiments with low biomass, or by using media with elevated density to float the biomass at the interface to air and thus to reduce the diffusion path.