Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Bioreactors are used to carry out bioprocesses and are commonly used in e.g. biogas production and wastewater treatment. Two common hydraulic models of bioreactors are the continuous stirred tank reactor (CSTR) and the plug-flow reactor (PFR). In this paper, a differential equation system that describes the substrate, biomass and inert biomass in the bioreactors is presented. It is used in a steady-state analysis and design of CSTRs in series. Monod kinetics were used to describe the specific growth rate and the decay of biomass was included. Using the derived systems of differential equations, two optimization problems were formulated and solved for both CSTRs in series and for a CSTR+PFR. The first optimization problem was to minimize the effluent substrate level given a total volume, and the second was to minimize the total volume needed to obtain a certain substrate conversion. Results show that the system of differential equations presented can be used to find optimal volume distributions that solves the optimization problems. The optimal volume for N CSTRs in series decreases as N increases, converging towards a configuration of a CSTR followed by a PFR. Analyzing how the decay rate affects the results showed that when the total volume was kept constant, increasing the decay rate caused less difference between the configurations. When the total volume was minimized, increasing the decay rate caused the configurations to diverge from each other. The presented model can be used to optimally divide reactors into smaller zones and thereby increasing the substrate conversion, something that could be of interest in e.g. existing wastewater treatment plants with restricted space. A fairly accurate approximation to the optimal design of N CSTRs in series is to use the optimal volume for the CSTR in the configuration with a CSTR+PFR and equally distribute the remaining volumes. / Bioreaktorer används för att utföra olika biologiska processer och används vanligen inom biogasproduktion eller för rening av avloppsvatten. Två vanliga hydrauliska modeller som används vid modellering av bioreaktorer är helomblandad bioreaktor (på engelska continuous stirred tank reactor, CSTR) eller pluggflödesreaktor (på engelska plug-flow reactor, PFR). I den här rapporten presenteras ett system av differentialekvationer som används för att beskriva koncentrationerna av substrat, biomassa och inert biomassa i både CSTR och PFR. Ekvationssystemet används för analys och design av en serie CSTRs vid steady-state. Tillväxten av biomassa beskrivs av Monod-kinetik. Avdödning av biomassa är inkluderat i studien. Från ekvationssystemet formulerades två optimeringsproblem som löstes för N CSTRs i serie och för CSTR+PFR. Det första optimerinsproblemet var att minimera substrathalten i utflödet givet en total volym. I det andra minimerades den totala volymen som krävs för att nå en viss substrathalt i utflödet. Resultaten visade att ekvationssystemet kan användas för att hitta den optimala volymsfördelningen som löser optimeringsproblemen. Den optimala volymen för N CSTRs i serie minskade när antalet CSTRs ökade. När N ökade konvergerade resultaten mot de för en CSTR sammankopplad med en PFR. En analys av hur avdödningshastigheten påverkade resultaten visade att en ökad avdödningshastighet gav mindre skillnad mellan de två olika konfigurationerna när den totala volymen hölls konstant. När den totala volymen istället minimerades ledde en ökad avdödningshastighet till att de två konfigurationerna divergerade från varandra. Modellen som presenteras i studien kan användas för att fördela en total reaktorvolym i mindre zoner på ett optimalt sätt och på så vis öka substratomvandlingen, något som kan vara av intresse i exempelvis befintliga avloppsreningsverk där utrymmet är begränsat. En relativt bra approximation till den optimala designen av N CSTRs i serie är att optimera volymerna för en CSTR+PFR, använda volymen för CSTR som första volym i konfigurationen med N CSTR i serie, och sedan fördela den kvarvarande volymen lika mellan de övriga zonerna.

Vid TCF-blekning av pappersmassa är väteperoxid en av huvudkemikalierna. I dagsläget är det svårt att styra blekstegen. Operatörerna måste ta hänsyn till produktionstakt, blekbarheten på massan varierar och fördröjning i trender. PO-bleksteget på Södra Cell Värö har en ungefärlig uppehållstid på 4 timmar och det är först efter så lång tid som man kan se hur en förändring verkligen slår igenom. Överblekning kostar väldigt mycket i kemikalieåtgång och det är därför efterfrågat ett sätt att kunna styra och optimera peroxidblekningssteget. Ett delsteg för detta var att simulera steget experimentellt och från dessa data ta fram en matematisk modell som förutsäger ljusheten. Massa togs ut från fabriken och blektes på labb under kontrollerade förhållanden med satsningar liknande verkliga i fabriken. De parametrar som studerades på labb var temperatur, väteperoxidsats och alkalisats då de påverkar ljusheten mest. En modell för ljushetsökning anpassades sedan till framtagna blekdata. Ekvationer för förbrukning av väteperoxid och hydroxidjoner togs också fram från analyser på blekfiltraten. Med ingående parametrar som startkoncentrationer av kemikalier, temperatur och massakoncentration förutsäger modellen ljusheten väl vid verifiering jämfört med fabrik och verifieringsblekning på labb. Modellen ligger något högre jämfört med fabrik men det var förväntat då förhållanden på labb ger ett renare system. För de parametrar som studerats anpassade sig modellen bra till förändringar och vid verifiering på labb syntes att modellen även svarade med en korrekt ljushet vid förändring i massakoncentration och ingående ljushet i steget. / During TCF-bleaching of pulp, hydrogen peroxide is one of the main chemicals. Today it is difficult to control the bleaching stages. The process operators must consider the production rate, changes in the bleach ability of the pulp and delays of trends in the control system. The PO-bleaching stage at Södra Cell Värö has approximately a retention time of four(4) hours and it is first after that, a result of a change in the process can be seen. Overbleaching is expensive due to high chemical need and therefore it is requested to find a way to control and optimize the peroxide bleaching stage. One way to do this was too simulate the stage experimentally and from those kinetic data accomplish a mathematical model that predicts the brightness increase of the pulp. Pulp from the mill was bleached at the laboratory under controlled conditions and with charges similar to what are used in the plant. The parameters that were studied at lab were temperature, hydrogen peroxide charge and alkali charge as they affect the brightness mostly. A model for brightness increase was adjusted to the achieved bleaching data. Equations for consumption of hydrogen peroxide and hydroxide anions were also developed from analyses of the bleaching filtrates.  From the start parameters, as concentration of the chemicals, temperature and pulp concentration, the model predicts the brightness well according to verification of data from mill and verification bleaching at laboratory. The value from the model is somewhat higher compared to that of the plant but that was expected due to the fact that the conditions at lab give a cleaner system. For those parameters that were studied, the model did adjust well to changes made and according to the verification at lab it was seen that the model also worked for changes in pulp concentration and different brightness at the beginning of the stage.

Aim The aim of the study was to examine the differences between able-bodied athletes (AB) and three para-athlete (PA) classes in three-dimensional range of motion (RoM) for the major joints of the body, and to define which joint angles are correlated with power output during paddling on a kayak ergometer. An additional aim was to validate three new classification tests used in classification of Paracanoe athletes. This study was an integral part of developing a new evidence-based classification system for Paracanoe which was accepted by the International Paralympic Committee in 2015. Method 41 PA (13 F and 28 M; 35 ± 9.0 years, 70.6 ± 12.5 kg, 1.74 ± 0.12 m) and 10 AB (4 F and 6 M; 22 ± 3.5 years, 78.3 ± 10.2 kg, 1.79 ± 0.06 m) participated in the study. Three-dimensional kinematic data was recorded using an optoelectronic system containing 12 infrared cameras capturing reflective markers placed on the participants, the paddle and on the force transducers. Force was measured at the paddle to enable calculations of power output. The kinematic and kinetic data were collected during paddling on the kayak ergometer at incremental intensities starting at a low intensity level (50 W). The athletes then increased intensity with 50 W up to a high intensity level which was defined as the highest level the athlete could maintain with good technique for 20 stroke cycles. The athletes were then asked to paddle at a maximal level. The kinematic and kinetic data were imported into Visual 3D and MATLAB where all calculations were made. Results There were significant differences between the AB and the three PA classes for joint angles in the shoulder (e.g. flexion/extension and internal/external rotation, AB&gt;PA), trunk (trunk rotation and trunk flexion, AB&gt;PA) and leg (hip, knee and ankle flexion AB&gt;PA) during paddling. Significant positive correlations were seen for both men and women between power output and trunk rotation RoM, hip, knee and ankle flexion RoM and in maximal trunk flexion during paddling. A positive correlation was also seen between the newly developed classification tests and the RoM values and power output. Conclusion This study showed that the RoM of the trunk and legs are positively correlated with power output during paddling on a kayak ergometer and that there is a significant difference between the AB and the PA classes in trunk and leg RoM. The results also showed that the newly developed classification tests are valid tests to use in classification of Paracanoe athletes. / Syfte och frågeställningar Syftet med studien var att undersöka skillnaderna mellan icke funktionsnedsatta idrottare (AB) och tre klasser av funktionsnedsatta idrottare (PA) i tredimensionellt rörelseomfång (RoM) i samtliga större leder i kroppen, och att definiera vilka leder som korrelerade med power output vid paddling på kajak ergometer. Ett ytterligare syfte var att validera tre nya klassificeringstester för klassificering i Parakanot. Denna studie var en viktig del vid utvecklingen av ett nytt evidensbaserat klassificeringssystem för Parakanot vilket blev accepterat av Internationella Paralympiska Kommitteen under 2015. Metod 41 PA (13 K och 28 M; 35 ± 9.0 år, 70.6 ± 12.5 kg, 1.74 ± 0.12 m) och 10 AB (4 K och 6 M; 22 ± 3.5 år, 78.3 ± 10.2 kg, 1.79 ± 0.06 m) deltog i studien. Tredimensionell kinematisk data samlades in med ett optoelektroniskt system innehållandes 12 infraröda kameror som registrerade reflekterande markörer som var fäst på försökspersonerna, på paddeln och på kraftgivarna. Kraft mättes vid paddeln vilket möjliggjorde beräkning av power output. Den kinematiska och kinetiska datan samlades in vid paddling på kajak ergometer på olika intensitetsnivåer och idrottarna startade på en låg intensitetsnivå (50 W). Idrottarna ökade sedan intensitet med 50 W upp till en hög intensitet vilket definierades som den högsta nivån som idrottarna kunde paddla stabilt på med bra teknik i 20 drag cykler. Idrottarna paddlade sedan på en maximal nivå. Den kinematiska och kinetiska datan importerades sedan till Visual3D och MATLAB där alla beräkningar utfördes. Resultat Det fanns en signifikanta skillnader mellan AB och de tre PA klasserna för ledvinklarna i skuldran (flexion/extension och inåt/utåt rotation, AB&gt;PA), bålen (bål rotation och bål flexion, AB&gt;PA) och i benen (höft, knä och ankel flexion, AB&gt;PA) vid paddling. Det fanns en signifikant positiv korrelation för både män och kvinnor mellan power output och RoM i bål rotation, höft, knä och ankel flexion och i maximal bål flexion vid paddling. En positiv korrelation fanns även mellan de nyutvecklade klassificeringstesterna och RoM värdena samt power output. Slutsats Studien visade att bål- och benrörelsen är positivt korrelerat med power output vid paddling på kajak ergometer och att det är en signifikant skillnad mellan AB och PA klasserna i bål och ben RoM. Resultaten visade också att de nyutvecklade klassificeringstesterna är valida tester för användning inom klassificering av Parakanotister. / <p>Kursen Projektarbete.</p>

Slutförvaring av använt kärnbränsle måste vara säker under 100 000 år eller mer för att förhindra att miljön skadas och att människor påverkas av långlivade radionuklider. Även om anläggningar för geologiskt djupförvar är utformade för att vara hållbara i många år, kan använt kärnbränsle komma i kontakt med grundvattnet i händelse av att flera barriärer brister. Det använda kärnbränslets inneboende radioaktivitet orsakar radiolys av inträngande grundvatten som producerar oxiderande och reducerande ämnen. Bland de radiolysprodukter som bildas rapporteras väteperoxid (H2O2) som en av de främsta orsakerna till oxidativ upplösning av bränslematrisen, UO2. Även om UO2 har låg löslighet i anoxiskt grundvatten, har oxiderad UO2, UO22+, flera storleksordningar högre löslighet. Detta utgör en risk för att radionukliderna släpps ut i miljön. Bikarbonat (HCO3-) är en av de viktigaste komponenterna i grundvatten och är känd för att öka upplösningen av UO22+. I denna studie undersöktes därför effekterna av HCO3- koncentrationen på den oxidativa upplösningen av UO2 genom att hålla den ursprungliga mängden H2O2 konstant på 0,2 mM och ändra HCO3- koncentrationen (1 mM, 2 mM, 5 mM och 10 mM). Dessutom undersöktes effekten av UO22+ på specieringen av H2O2 genom att tillsätta uranylnitrat (UO2(NO3)2 x 6H2O) till systemen innan de exponerades för H2O2. Specieringens inverkan på kinetiken för oxidativ upplösning av UO2 analyserades. Som ett resultat av experimenten har man dragit slutsatsen att mängden upplöst UO22+ är högre vid högre HCO3- koncentration. Dessutom minskar upplösningshastigheten för UO22+ med initial tillsats av UO22+ på grund av de komplex som bildas i systemen. Det observerades att oxidation av UO2 är den hastighetsbegränsande reaktionen i början av exponeringen, och att upplösningen av UO22+ därför fördröjs. Å andra sidan har man sett att bristen på HCO3- begränsar systemens upplösningsförmåga. Fri H2O2 är den dominerande formen av peroxid i systemen utan initialt tillsatt UO22+, medan -6 och -2 laddade komplex är dominerande i systemen med initialt tillsatt UO22+. H2O2-komplexen är mer effektiva på ytmekanismen i de system som har lägre HCO3- koncentration. Det finns ingen observerbar trend i H2O2-förbrukningshastigheten med avseende på HCO3-koncentrationen. Därför drogs slutsatsen att H2O2-förbrukningen är oberoende av upplösningsreaktionen. Slutligen följer upplösningen i systemet utan ursprungligt tillsatt UO22+ första ordningens kinetik med avseende på HCO3- koncentrationen. / Disposal of spent nuclear fuels is of great importance to prevent the environment and humans from being affected by long-lived radionuclides for 100,000 years or more. Even though the deep geological repositories are designed to remain durable for many years, spent nuclear fuel may come in contact with groundwater in case of a multi-barrier failure. The inherent radioactivity of spent nuclear fuel causes water radiolysis producing oxidizing and reducing agents. Among the radiolysis products, hydrogen peroxide (H2O2) is reported as a primary contributor to the oxidative dissolution of the fuel matrix, UO2. Although UO2 has low solubility in water, oxidized UO2, UO22+ , has several orders of magnitude higher solubility. This poses the risk of the radionuclides being released into the environment. Bicarbonate (HCO3–) is one of the main components of groundwater and is known to increase the dissolution of UO22+. Therefore, in this study, the effects of HCO3– concentration on the oxidative dissolution of UO2 were investigated by keeping the initial amount of H2O2 constant at 0.2 mM and changing the HCO3– concentration (1 mM, 2 mM, 5mM, and 10 mM). Besides, the effect of UO22+ on the speciation was investigated by adding uranyl nitrate (UO2(NO3)2 x 6H2O) to the systems before exposure to H2O2. The impact of speciation on the kinetics of oxidative dissolution of UO2 was analyzed. As a result of experiments, it has been concluded that the amount of dissolved UO22+ is higher in higher HCO3– concentration. Also, the rate of the UO22+ dissolution decreases with addition of UO22+ due to the complexes formed in the systems. It was observed that oxidation of UO2 is the rate limiting reaction atthe beginning of the exposure; therefore, there is a delay in the UO22+ dissolution. On the other hand, it has been seen that the HCO3– deficiency limits the dissolution capacity of the systems. Free H2O2 is the dominant peroxide species in the systems without initially added UO22+ , while -6 and -2 charged complexes are dominant in the systems with initially added UO22+. The H2O2 complexes are found more effective on the surface mechanism in the systems having lower HCO3– concentration. There is no observable trend in H2O2 consumption rate with respect to HCO3– concentration. Therefore, it was concluded that the H2O2 consumption rate is independent of dissolution reaction. Finally, the dissolution in the system without initially added UO22+ follows the first-order kinetics with respect to HCO3– concentration.

De ökande luftföroreningarna i Europa är ett allvarligt miljöproblem, och vägtransporterna är en av de största orsakerna till detta. För att ta itu med detta problem och uppfylla nya utsläppskrav måste efterbehandlingssystemen för avgaser förbättras. Det är viktigt att förstå sammansättningen, egenskaperna och mängden partiklar (PM) som produceras av dieselmotorer för att kunna minska partikelutsläppen med dieselpartikelfiltret (DPF). Denna studie ger en djupgående analys av partikelutsläpp från tunga dieselmotorer, med fokus på att förstå källorna till partikelutsläpp, deras inverkan på partikelns struktur och reaktivitet. Olika filter för att samla in partiklarna användes och analyserades. Dessutom utvecklades och diskuterades en extraktionsmetod för att avlägsna partiklarna från filtren. Förhållandet mellan aska och sot samt kinetiska oxidationsparametrar har undersökts för flera prover från sex- och åttacylindriga motorer under olika driftscykler. Morfologiska egenskaper hos aska och sot undersöktes med SEM. Askfraktionen uppskattades ligga mellan 3 och 23 procent av den totala PM-sammansättningen. Askans elementära sammansättning undersöktes med hjälp av EDS och ICP. Viktförlustkurvor erhölls med TGA och de kinetiska parametrarna för sotoxidation beräknades med den icke-isotermiska metoden. Aktiveringsenergierna, som befanns ligga i intervallet 145-162 kJ/mol, visade att alla de testade sotproverna hade en liknande reaktivitet. Ytterligare studier behövs för att förbättra insamlings- och analysmetoderna för att uppnå tillförlitliga resultat. / The rise in air pollution in Europe is a pressing environmental health concern, and road transport is a major contributor. To address this issue and meet new emission standards, exhaust aftertreatment systems must be improved. Understanding the composition, properties, and amount of particulate matter (PM) produced by diesel engines is critical for reducing PM emissions with the diesel particulate filter (DPF). This research provides an in-depth analysis of PM emissions produced by heavy-duty diesel engines, with focus on understanding the sources of PM emissions, their impact on the structure and on the reactivity of the PM. Various filters to collect the particulate were employed and critically analysed. Furthermore, an extraction procedure to remove the PM from the filters was developed and discussed. Ash to soot ratio and kinetic oxidation parameters have been investigated for several samples deriving from 6-cylinder and 8-cylinder engines during different operational cycles. Morphological features of ash and soot were investigated with SEM. The ash fraction was estimated to lie between 3 and 23 percent in the total PM composition. Ash elemental composition was carried out through EDS and ICP. Weight loss curves were obtained with TGA and the soot oxidation kinetic parameters were calculated with the non-isothermal multiple-ramp rates method. The activation energies, which were found to be in the range of 145-162 kJ/mol, demonstrated that all of the soot samples tested had a similar reactivity. Further studies are needed to improve the collection and analysis methods in order to achieve reliable results.

Biodiesel ses som ett av de främsta substituten för fossila bränslen, då den relativt enkelt kan appliceras i redan existerande dieselmotorer. Dagens produktion av biodiesel använder sig av homogena katalysatorer som inte återanvänds i processen, men för en mer cirkulär och i längden en billigare process ses heterogena katalysatorer som ett alternativ. Syftet med denna studie var att undersöka litium dopad kalciumoxid katalytiska egenskaper, de optimala förhållandena för reaktionen och även kinetiken för reaktionen. Den valda katalysatorn syntetiserades med kalcinering och sedan testades den katalytiska förmågan i reaktionen vid olika reaktionsförhållanden, för att finna de optimala förhållandena. Även katalysatorns fysiska egenskaper analyserades och kinetiken för reaktionen. De optimala förhållanden för transesterifieringen bestämdes till 3 h, 1:6 olja- metanolförhållande, 60°C och 5 vikts% katalysator, där 96% utbyte av biodiesel uppnåddes. Övriga utbyten från de andra försöken var betydligt lägre, vilket kan bero på icke optimala förhållanden, men även relativ dålig katalytisk förmåga. Ytarea och porstorlek konstateras vara små, vilket påverkar den katalytiska förmågan negativt. Anledningen till katalysatorns egenskaper beror huvudsakligen på tillverkningsprocessen, men även mängden litium i dopningen. Kinetiken visar en oväntad reaktionsutveckling med initialt hög koncentration FAME (Fatty acid Methylester), vilket troligen beror på felkällor.

Zinc electrodeposition is currently a hot topic because of its widespread use in rechargeable zinc-air batteries. However, Zn deposition has received little attention in organic solvents with much higher ionic conductivity and current efficiency. In this study, a Zn-betaine complex is synthesized by using ZnO and betainium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide and its electrochemical behavior for six organic solvents and electrodeposited morphology are studied. Acetonitrile allowed dendrite-free Zn electrodeposition at room temperature with current efficiencies of up to 86%. From acetonitrile solutions in which Zn, Pb, and Cu complexes are dissolved in high concentrations, Zn and Pb/Cu are efficiently separated electrolytically under potentiostatic control, allowing the purification of solutions prepared directly from natural ores. Additionally, a highly flexible Zn anode with excellent kinetics is obtained by using a carbon fabric substrate. A rechargeable zinc-air battery with these electrodes shows an open-circuit voltage of 1.63 V, is stable for at least 75 cycles at 0.5 mAcm⁻² or 33 cycles at 20 mAcm⁻², and allows intermediate cycling at 100 mAcm⁻².

Es werden die exzitonischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantengräben im Magnetfeld theoretisch untersucht. Unter Benutzung der Enveloppen-Näherung wird der Hamilton-Operator des Exzitons aufgestellt. Ein allgemeines Theorem für die diamagnetische Verschiebung (DMV) des exzitonischen Grundzustands wird abgeleitet. Im ersten Teil werden Effekte der Unordnung berücksichtigt. Die numerische Ergebnisse zeigen, daß die DMV ein Maß für die Lokalisierung der Wellenfunktion ist. Einzelne Exzitonzustände, wie sie für optische Nahfeldexperimente relevant sind, zeigen eine breite Verteilung der DMV-Werte, wobei der Mittelwert mit der Energie anwächst (abnehmende Lokalisierung). Die Absorptions- und Photolumineszenz-Spektren im Fernfeld werden mit dem Magnetfeld breiter. Unter Ausnutzung der strukturellen Information über die lokale chemische Zusammensetzung einer gegebenen Probe werden die statistischen Eigenschaften der Unordnung in einem realen Quantengraben analysiert. Das ermöglicht die numerische Erzeugung neuer Unordnungspotentiale, die dann für die Simulation der optischen Eigenschaften wie DMV-Statistik und Photolumineszenzspektren genutzt werden. Der Vergleich mit den experimentellen Daten für verschiedene Temperaturen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit Quantenpunkten und Quantenringen, die in einem Quantengraben eingebettet sind, und konzentriert sich auf den exzitonischen Aharonov-Bohm Effekt. Der persistente Strom und die Magnetisierung werden berechnet. Für zirkuläre Symmetrie wird der enge Zusammenhang zwischen der oszillatorischen Komponente der Exziton-Energie und dem persistenten Strom aufgezeigt. Für nichtzirkuläre Ringe sind die Oszillationen ebenfalls beobachtbar, jedoch mit kleinerer Amplitude. Eine Untersuchung der Exzitonenkinetik zeigt die wichtige Rolle nichtradiativer Prozesse auf und setzt Grenzen für die Beobachtbarkeit der Oszillationen und für die Auslöschung der Photolumineszenz. / Excitonic properties of semiconductor quantum wells (QWs) with applied magnetic field are investigated theoretically. Using the envelope function approximation, the exciton Hamiltonian is constructed. A general theorem for the diamagnetic shift (DMS) of the lowest exciton energy is derived. In a first part, disorder is taken into account. The numerical results show that the DMS is a measure of wave function localization. Individual exciton states as relevant for optical near-field experiments show a broad distribution of DMS values while its average value increases with energy (decreasing localization). Far-field absorption and photoluminescence spectra become wider with increasing magnetic field. Using structural information on the local chemical composition of a given sample, the statistical properties of the disorder in a real QW have been analyzed. This allowed to generate new disorder potentials as input for the simulation of DMS statistics and photoluminescence spectra. Their comparison with experimental data at different temperatures shows very good agreement. The second part of the thesis deals with quantum dots and rings embedded in the QW, focusing on the exciton Aharonov-Bohm effect. Persistent current and magnetization are evaluated. For circular symmetry, a close relation between the oscillatory component of the exciton energy and the persistent current is revealed. For non-circular rings, oscillations can be observed too but with lower amplitude. A study of the exciton kinetics points to the important role of non-radiative processes, and sets limits for the experimental observability of energy oscillations and photoluminescence quenching.

Mit der Entdeckung der katalytischen Aktivität von Ribonukleinsäuren wurde begonnen, darauf basierende therapeutische Strategien zu entwickeln, die auf genetischer Ebene den Stoffwechsel oder virale Infektionen von Zellen beeinflussen. Entsprechende Oligoribonukleotide waren befähigt, spezifisch RNA-Stränge zu erkennen und zu spalten. In Analogie zu Enzymen wurden sie als Ribozyme bezeichnet. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines metabolisch stabilen Hammerhead-Ribozyms. Dieses sollte lipidvermittelt in die Zellen des Nierenzellkarzinoms RCC 95/96 transfiziert werden und dort die Genexpression des dem Parathormon verwandten Proteins (PTHrP) durch die Spaltung der PTHrP-mRNA unterdrücken. Ausgangspunkt der Entwicklung war das Hammerhead-Ribozym RbO. Es wies in zellfreien Versuchen bei der Spaltung einer 232 Basen langen Substrat-RNA mit einem k(obs)-Wert von 47,42 E-3 /min eine zur Literatur vergleichbar hohe Aktivität auf, jedoch zeigte es sich als reiner RNA-Strang gegenüber Nukleasen sehr fragil. Das Endprodukt der in mehreren Schritten abgelaufenen Weiterentwicklung des Ribozyms RbO stellte das Ribozym RbS dar. Im Vergleich zum Ausgangsribozym bestand das in der Stammschleife verkürzte Ribozym zu 71 % aus DNA. Es besaß Phosphorothioatmodifi-kationen in den Flanken und in den konservierten Sequenzbereichen. Zudem war durch einen Basenwechsel im katalytischen Teil der Stammschleife eine Pyrimidinbase durch eine Purinbase ausgetauscht worden. Zu-sammen bedingten die genannten Veränderungen eine Steigerung der Ribozymstabilität um mehr als das Zehnfache. Dabei war die katalytische Aktivität des Ribozyms RbS mit einem k(obs)-Wert von 45,76 E-3 /min gegenüber RbO annähernd identisch. Das schrittweise Vorgehen bei der Ribozymentwicklung mit dem Erstellen von 20 unterschiedlich modifi-zierten Ribozymen ermöglichte es, den Einfluss einzelner Modifikationen auf die Ribozymaktivität zu prüfen. Mehrfach konnten dabei die Ergebnisse anderer Forschungsgruppen bestätigt werden. So wurde erkannt, dass für viele Modifikationen, wie Ribozymverkleinerung, RNA-DNA-Basenaustausch und Phosphorothioa-teinbindung, die Auswirkung auf die katalytische Aktivität nur begrenzt vorherzusagen ist und optimale Er-gebnisse nur durch Testreihen zu erlangen sind. Bei der Behandlung der Tumorzellen in Monolayer-Zellkultur ließ sich für das Ribozym RbS keine signifi-kante Wirkung nachweisen. Als Ursache dafür ist am ehesten die auf Grund von Sekundärstrukturen fehlende Erkennung der Zielsequenz innerhalb der PTHrP-mRNA anzunehmen. / The development of therapeutic strategies affecting cellular metabolism and viral infections of cells was in-troduced after the discovery of the catalytic activity of ribonucleic acid. Appropriate oligoribonucletides were able to specificly recognize and cleave RNA strands. They were called ribozymes by analogy with enzymes. The main task of our research was the development of a metabolic stable hammerhead ribozym. The ribozym should be transfected by lipid mediated transport into renal carcinoma cells RCC 95/96 where it should suppress the gene expression of parathormone-related peptide (PTHrP) by means of cleavage of the PTHrP mRNA. The hammerhead ribozyme RbO was the starting point of the development. Its activity in cleavage of 232 base long subsrats in cell-free tests was comparable to the literature (k(obs) value 47,42 E-3 /min). However it was very fragile regarding nucleases. The end product of the gradual further develop-ment of the ribozyme RbO was the ribozyme RbS. This ribozyme which was shortened in helix 2 consisted of 71 percent DNA in comparison to the original one. It was modified with phosphorothioates in helix 1 and 3 and in the conserved sequence regions. Furthermore a pyrimidine base was exchanged for a purine base in the catalytic part of helix 2. Altogether the named alterations increased the stability of the ribozyme more than 10 times. The catalytic activity of the ribozyme RbS compared to RbO was approximately identical (k(obs) value 45,76 E-3 /min). The step-by-step development of the ribozymes with the creation of 20 different modified ribozyms made it possible to study the impact of individual modifications on the ribozyme activity. Often the results of other research groups were confirmed. Thus it was detected that the effects of some modifications like ribozyme reduction, RNA-DNA base exchange and phosphorothioates integration are only partly predictable. Therefo-re optimal results are only obtained by a number of tests. Finally we could not demonstrate a significant effect of the ribozyme RbS in the treatment of tumor cells in monolayer. The most likely explanation for this seems to be that the target sequence inside of the PTHrP-mRNA wasn't recognized due to secondary structures.