The primary purpose of this thesis is to find out the mechanism of cracking formation during filtration as well as improve the dewatering efficiency of Limestone and Vietnam coal. They are both fine materials, which negatively affect the filtration process. Experiments are executed by changing parameters like solid volume fraction of initial suspension, the height of filter cake and the applied pressure difference using the conventional pressure filtration. Permeability ratio is used as the relevance output parameter to quantify the degree of cracking. Otherwise, saturation and residual moisture content on filter cake are also calculated to evaluate the extent of dewatering. Almost the mechanism of cracking is assumpted and proved. Countermeasures are suggested to prevent the probability and degree of cracking on filter cake. Otherwise, steam pressure filtration is applied as a new method allow improve the dewatering efficiency and reduce the cracking.:Contents Abstract iii Acknowledgment v Contents vi List of Figure viii List of Tables xvi List of Symbols xvii Abbreviation xix 1. Background 1 1.1. The Filtration process 1 1.2. Conventional pressure filtration and steam pressure filtration 3 1.3. Filtration theory 6 1.4. Cake deliquoring - immiscible fluid displacement in porous media 16 1.5. Tensile stress between particles 20 1.6. Coal processing/ washing 24 2. Literature review 34 2.1. Cracking on filter cake and the dewatering process with and without cracking 34 2.2. Summary and focus of research 47 3. Material, methods and the result of capillary pressure curve and tensile stress versus saturation 51 3.1. Material used 51 3.1.1. Limestone 51 3.1.2. Vietnam Coal 52 3.2. Conventional filtration rig and steam pressure filtration rig 55 3.2.1. Conventional filtration rig 55 3.2.2. Steam pressure filtration rig 57 3.3. Filtration experimental 58 3.4. Relevant parameter 59 3.5. Analyze technique 65 3.6. Tensile stresses depend on saturation during deliquoring 66 4. The influence of operating parameters on cracks formation in case of limestone 69 4.1. Capillary pressure curve and tensile stress during the filtration in the case of limestone 69 4.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 76 4.2.1. Particle size distribution effect 76 4.2.2. The solid volume fraction of suspension effect 82 4.2.3. Height of filter cake (filter cake deep/ filter cake thickness) effect 92 4.2.4. Pressure difference effect 101 4.3. The difference in the crack formation by using steam pressure filtration 111 4.4. General conclusion 116 5. The influence of operating parameters on cracks formation in the case of Vietnam coal 118 5.1. Capillary pressure curve and tensile stress during filtration in case of Vietnam coal 118 5.2. Test were conducted using conventional pressure filtration 122 5.2.1. The influence of the solid volume fraction on crack formation and saturation 122 5.2.2. The influence of the height of filter cake on crack formation and saturation 127 5.2.3. The influence of pressure difference on crack formation and saturation 134 5.3. Estimate the efficiency dewatering as well as the crack formation using steam pressure filtration 139 5.4. General conclusion 146 6. Overall conclusion and recommendation 148 6.1. Overall conclusion 148 6.2. Recommendation 150 References 152 Appendices 156 Appendix A: Data from CCWP. 156 Appendix B: Data from the crack formation with various operation parameters using conventional pressure filtration (CPF). 159 Appendix C: Data from steam pressure filtration. 167 Appendix D: Miscellaneous Information. 177

\textbf{Molecular Determinants of Drug-Target Residence Times of Bacterial Enoyl-ACP Reductases.} Whereas optimization processes of early drug discovery campaigns are often affinity-driven, the drug-target residence time $t_R$ should also be considered due to an often strong correlation with \textit{in vivo} efficacy of compounds. However, rational optimization of $t_R$ is not straightforward and generally hampered by the lack of structural information about the transition states of ligand association and dissociation. The enoyl-ACP reductase FabI of the fatty acid synthesis (FAS) type II is an important drug-target in antibiotic research. InhA is the FabI enzyme of \textit{Mycobacterium tuberculosis}, which is known to be inhibited by various compound classes. Slow-onset inhibition of InhA is assumed to be associated with the ordering of the most flexible protein region, the substrate binding loop (SBL). Diphenylethers are one class of InhA inhibitors that can promote such SBL ordering, resulting in long drug-target residence times. Although these inhibitors are energetically and kinetically well characterized, it is still unclear how the structural features of a ligand affect $t_R$. Using classical molecular dynamics (MD) simulations, recurring conformational families of InhA protein-ligand complexes were detected and structural determinants of drug-target residence time of diphenyl\-ethers with different kinetic profiles were described. This information was used to deduce guidelines for efficacy improvement of InhA inhibitors, including 5'-substitution on the diphenylether B-ring. The validity of this suggestion was then analyzed by means of MD simulations. Moreover, Steered MD (SMD) simulations were employed to analyze ligand dissociation of diphenylethers from the FabI enzyme of \textit{Staphylococcus aureus}. This approach resulted in a very accurate and quantitative linear regression model of the experimental $ln(t_R)$ of these inhibitors as a function of the calculated maximum free energy change of induced ligand extraction. This model can be used to predict the residence times of new potential inhibitors from crystal structures or valid docking poses. Since correct structural characterization of the intermediate enzyme-inhibitor state (EI) and the final state (EI*) of two-step slow-onset inhibition is crucial for rational residence time optimization, the current view of the EI and EI* states of InhA was revisited by means of crystal structure analysis, MD and SMD simulations. Overall, the analyses affirmed that the EI* state is a conformation resembling the 2X23 crystal structure (with slow-onset inhibitor \textbf{PT70}), whereas a twist of residues Ile202 and Val203 with a further opened helix $\alpha 6$ corresponds to the EI state. Furthermore, MD simulations emphasized the influence of close contacts to symmetry mates in the SBL region on SBL stability, underlined by the observation that an MD simulation of \textbf{PT155} chain A with chain B' of a symmetry mate in close proximity of the SBL region showed significantly more stable loops, than a simulation of the tetrameric assembly. Closing Part I, SMD simulations were employed which allow the delimitation of slow-onset InhA inhibitors from rapid reversible ligands. \textbf{Prediction of \textit{Mycobacterium tuberculosis} Cell Wall Permeability.} The cell wall of \textit{M. tuberculosis} hampers antimycobacterial drug design due to its unique composition, providing intrinsic antibiotic resistance against lipophilic and hydrophilic compounds. To assess the druggability space of this pathogen, a large-scale data mining endeavor was conducted, based on multivariate statistical analysis of differences in the physico-chemical composition of a normally distributed drug-like chemical space and a database of antimycobacterial--and thus very likely permeable--compounds. The approach resulted in the logistic regression model MycPermCheck, which is able to predict the permeability probability of small organic molecules based on their physico-chemical properties. Evaluation of MycPermCheck suggests a high predictive power. The model was implemented as a freely accessible online service and as a local stand-alone command-line version. Methodologies and findings from both parts of this thesis were combined to conduct a virtual screening for antimycobacterial substances. MycPermCheck was employed to screen the chemical permeability space of \textit{M. tuberculosis} from the entire ZINC12 drug-like database. After subsequent filtering steps regarding ADMET properties, InhA was chosen as an exemplary target. Docking to InhA led to a principal hit compound, which was further optimized. The quality of the interaction of selected derivatives with InhA was subsequently evaluated using MD and SMD simulations in terms of protein and ligand stability, as well as maximum free energy change of induced ligand egress. The results of the presented computational experiments suggest that compounds with an indole-3-acethydrazide scaffold might constitute a novel class of InhA inhibitors, worthwhile of further investigation. / \textbf{Molekulare Determinanten von Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeiten bakterieller Enoyl-ACP Reduktasen.} In frühen Phasen der Wirkstoffentwicklung sind Optimierungsprozesse häufig affini\-täts\-geleitet. Darüber hinaus sollte zusätzlich die Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeit $t_R$ berücksichtigt werden, da diese oft eine starke Korrelation zur \textit{in vivo} Wirksamkeit der Substanzen aufweist. Rationale Optimierung von $t_R$ ist jedoch auf Grund eines Mangels an struktureller Information über den Übergangszustand der Ligandbindung und Dissoziierung nicht einfach umsetzbar. Die Enoyl-ACP Reduktase FabI der Fettsäurebio\-synthese (FAS) Typ II ist ein wichtiger Angriffspunkt in der Antibiotikaforschung. InhA ist das FabI Enzym des Organismus \textit{Mycobacterium tuberculosis} und kann durch Substanzen diverser Klassen gehemmt werden. Es wird vermutet, dass Hemmung von InhA durch langsam-bindende (``slow-onset'') Inhibitoren mit der Ordnung der flexibelsten Region des Enzyms assoziiert ist, dem Substratbindungsloop (SBL). Diphenylether sind eine InhA Inhibitorenklasse, die eine solche SBL Ordnung fördern und dadurch lange Verweilzeiten im Angriffsziel aufweisen. Obwohl diese Inhibitoren energetisch und kinetisch gut charakterisiert sind, ist noch immer unklar, wie die strukturellen Eigenschaften eines Liganden $t_R$ beeinflussen. Durch die Verwendung klassischer Molekulardynamik (MD) Simulationen wurden wiederkehrende Konformationsfamilien von InhA Protein-Ligand Komplexen entdeckt und strukturelle Determinanten der Wirkstoff-Angriffsziel Verweilzeit von Diphenylethern mit verschiedenen kinetischen Profilen beschrieben. Anhand dieser Ergebnisse wurden Richtlinien zur Wirksamkeitsoptimierung von InhA Inhibitoren abgeleitet, einschließlich einer 5'-Substitution am Diphenylether B-Ring. Die Validität dieses Vorschlags wurde mittels MD Simulationen nachfolgend analysiert. Darüber hinaus wurden ``Steered MD'' (SMD) Simulationen als MD Technik für umfangreicheres Sampling verwendet um die Liganddissoziation von Diphenylethern aus dem FabI Enzym von \textit{Staphylococcus aureus} zu untersuchen. Dieser Ansatz resultierte in einem sehr akkuraten, quantitativen linearen Regressionsmodell der experimentellen Verweilzeit $ln(t_R)$ dieser Inhibitoren als Funktion der berechneten maximalen freien Energieänderung induzierter Ligandextraktion. Dieses Modell kann genutzt werden um die Verweilzeiten neuer potentieller Inhibitoren aus Kristallstrukturen oder validen Dockingposen vorherzusagen. Die korrekte strukturelle Charakterisierung des intermediären und des finalen Zustandes (EI und EI*-Zustand) eines Enzym-Inhibitor Komplexes bei einem zweistufigen Inhibitionsmechanismus durch langsam-bindende Hemmstoffe ist essentiell für rationale Verweilzeitoptimierung. Daher wurde die gegenwärtige Ansicht des EI und EI*-Zustandes von InhA mittels Kristallstrukturanalyse, MD und SMD Simulationen erneut aufgegriffen. Insgesamt bestätigten die Analysen, dass der EI*-Zustand einer Konformation ähnlich der 2X23 Kristallstruktur (mit langsam-bindenden Inhibitor \textbf{PT70}) gleicht, während eine Drehung der Reste Ile202 und Val203 mit einer weiter geöffneten Helix $\alpha 6$ dem EI-Zustand entspricht. Des Weiteren zeigten MD Simulationen den Einfluss naher Kristallkontakte zu Symmetrie-Nachbarn in der SBL Region auf die SBL Stabilität. Dies wird durch die Beobachtung hervorgehoben, dass die Ketten A und B' eines InhA-\textbf{PT155}-Komplexes und des angrenzenden Symmetrie-Nachbars, welche in engem Kontakt in der SBL Region stehen, signifikant stabilere SBLs aufweisen, als die Ketten A und B in einer Simulation des Tetramers. Zum Abschluss von Teil I wurden SMD Simulationen angewandt, auf deren Basis es möglich war, langsam-bindende InhA Inhibitoren von schnell-reversiblen (``rapid reversible'') Liganden zu unterscheiden. \textbf{Vorhersage von \textit{Mycobacterium tuberculosis} Zellwand Permeabilität.} Die Zellwand von \textit{M.~tuberculosis} erschwert die antimycobakterielle Wirkstofffindung auf Grund ihrer einzigartigen Zusammensetzung und bietet eine intrinsische Antibiotikaresistenz gegenüber lipophilen und hydrophilen Substanzen. Um den chemischen Raum wirkstoffähnlicher Moleküle gegen diesen Erreger (``Druggability Space'') einzugrenzen, wurde eine groß angelegte Dataminingstudie durchgeführt, welche auf multivariater statistischer Analyse der Unterschiede der physikochemischen Zusammensetzung eines normalverteilten wirkstoffähnlichen chemischen Raumes und einer Datenbank von antimycobakteriellen -- und somit höchstwahrscheinlich permeablen -- Substanzen beruht. Dieser Ansatz resultierte in dem logistischen Regressionsmodell MycPermCheck, welches in der Lage ist die Permeabilitätswahrscheinlichkeit kleiner organischer Moleküle anhand ihrer physikochemischen Eigenschaften vorherzusagen. Die Evaluation von MycPermCheck deutet auf eine große Vorhersagekraft hin. Das Modell wurde als frei zugänglicher online Service und als lokale Kommandozeilenversion implementiert. Methodiken und Ergebnisse aus beiden Teilen dieser Dissertation wurden kombiniert um ein virtuelles Screening nach antimycobakteriellen Substanzen durchzuführen. Myc\-PermCheck wurde verwendet um den chemischen Permeabilitätsraum von \textit{M.~tuberculosis} anhand der gesamten ZINC12 Datenbank wirkstoffähnlicher Moleküle abzuschätzen. Nach weiteren Filterschritten mit Bezug auf ADMET Eigenschaften, wurde InhA als exemplarisches Angriffsziel ausgewählt. Docking nach InhA führte schließlich zu einer Treffersubstanz, welche in darauffolgenden Schritten weiter optimiert wurde. Die Interaktionsqualität ausgewählter Derivate mit InhA wurde daraufhin mittels MD und SMD Simulationen in Bezug auf Protein und Ligand Stabilität, sowie auch der maximalen freien Energieänderung induzierter Ligandextraktion, untersucht. Die Ergebnisse der vorgestellten computerbasierten Experimente legen nahe, dass Substanzen mit einem Indol-3-Acethydrazid Gerüst eine neuartige Klasse von InhA Inhibitoren darstellen könnten. Weiterführende Untersuchungen könnten sich somit als lohnenswert erweisen.

Die schmerzstillende Wirkung von Opiaten wird über Opioidrezeptoren im zentralen und peripheren Nervensystem vermittelt. Die Schmerzlinderung kann jedoch mit sehr starken Nebenwirkungen einhergehen, die das Patientenwohlbefinden beeinträchtigen. Dies legt die Bedeutung von neuen Opioidanalgetika nahe, die ihre schmerzstillende Wirkung ausschließlich über Opioidrezeptoren im PNS entfalten, ohne unerwünschte zentrale Nebenwirkungen zu induzieren. Die orale Gabe von Medikamenten minimiert Unannehmlichkeiten für den Patienten, jedoch müssen die Substanzen die intestinale Barriere passieren können, um in die Blutzirkulation eintreten zu können. Die intestinale Permeabilität von zwei peripher wirksamen Opiaten (AS006 und Loperamid) wurde in Ussing-Kammer Experimenten untersucht. Um die Darmepithelpermeabilität für beide Opiate zu erhöhen, wurde der Absorptionsverstärker Chitosan verwendet. Chitosan bewirkte nach 30 Minuten bei HT29/B6 und Caco-2 Zelllinien eine Abnahme des epithelialen Widerstands in vitro. Die Permeabilität für AS006 war bei beiden Zelllinien erhöht, für Loperamid nur bei HT29/B6, jedoch nicht bei Caco-2 Zellmonolayern. Verhaltensexperimente zur Messung des antinozizeptiven Effektes von oral appliziertem Loperamid auf Entzündungsschmerz wurden an Ratten durchgeführt. Die orale Gabe von Loperamid induzierte eine Dosis-abhängige antinozizeptive Wirkung in der entzündeten Hinterpfote. Bei oraler Gabe von Loperamid in Kombination mit Chitosan wurde keine signifikante Verstärkung des maximalen antinozizeptiven Effekts von Loperamid beobachtet. Zusammenfassend ist Chitosan ein geeigneter Absorptionsverstärker für intestinale Permeabilitätsstudien von peripher wirksamen Opioidanalgetika in vitro. Die in vitro Ergebnisse haben gezeigt, dass der Effekt von Chitosan auf Loperamid möglicherweise schwächer ist als auf AS006. Dementsprechend fiel die Wirkung des Absorptionsverstärkers auf Loperamid-induzierte Analgesie im Verhaltensversuch eher gering aus. / Analgesic effects of opioids are mediated by opioid receptors that are widely distributed in the central and peripheral nervous systems (CNS and PNS, respectively). Although opioids are the most powerful analgesics, severe side effects restrict their use and affect patient convalescence. This suggests an advantage of new analgesic opioids which selectively bind to opioid receptors in the PNS. After oral administration however, peripherally restricted opioids first have to cross the intestinal epithelial barrier before absorption into the circulation and distribution to opioid receptors in peripheral tissues. Here, the transport across intestinal epithelia of two opioid ligands (AS006 and loperamide) that selectively activate peripheral opioid receptors without entering the CNS were investigated. To increase the intestinal passage of these drugs, the absorption enhancer chitosan was used. Chitosan significantly decreased the transepithelial resistance of HT29/B6 and Caco-2 cell monolayers after 30 min in vitro. The permeability values for AS006 increased from < 0.3 × 10-6 cm/s up to 10 × 10-6 cm/s in the presence of chitosan. In contrast, HT29/B6 monolayers showed moderate loperamide permeability in the presence of chitosan, and chitosan had no effect on the permeability of loperamide using Caco-2 monolayers. Oral administration of loperamide induced a dose-depended elevation of paw pressure thresholds in inflamed paws that lasted for 60 min. Oral administration of loperamide combined with chitosan slightly but nonsignificantly enhanced the antinociceptive effect of loperamide. In conclusion, chitosan is a suitable absorption enhancer for in vitro intestinal permeability studies. Future in vivo experiments might investigate different formulations and application schedules, and further address the effects of chitosan on the antinociceptive efficacy of hydrophilic opioids.

Den technologischen Hintergrund für diese Arbeit liefert die bei der Erschließung tiefer Lagerstätten (Erdgas, Erdöl, Erdwärme) eingesetzte Stimulationstechnik des Hydraulic Fracturing. Bei dieser Technik werden mittels hydraulischem Druck Risse im Lagerstättengestein erzeugt, die durch Einspülen von Feststoffkörnern (Proppants) offengehalten werden sollen. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt auf der theoretischen und experimentellen Untersuchung der Einbettung von Proppants in das Lagerstättengestein unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses auf die hydraulische Leitfähigkeit eines durch Proppants gestützten Risses. Thematisch teilt sich die Arbeit in die beiden Schwerpunkte: (1) Berechnung der Proppant-Einbettung auf der Grundlage kontaktmechanischer Ansätze und (2) experimentelle Untersuchungen an realen Proppant-Schüttungen. Zur mathematischen Formulierung der Proppant-Einbettung wurde die in der Werkstofftechnik entwickelte Theorie des mechanischen Verhaltens rauer Oberflächen unter Lasteintrag (Kontaktmechanik) mit der ebenfalls aus der Werkstofftechnik bekannten Messung und Interpretation der Oberflächenhärte nach Meyer gekoppelt. Diese neuartige Formulierung ermöglicht es, die Einbettung von Proppants in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Formation, des Spannungszustandes, der Korngrößenverteilung und der Proppants-Konzentration zu berechnen. Zur Prognose des Erfolges einer Stimulation wurde ein 2D-numerischer Algorithmus (MATLAB®) entwickelt, der den Gesamtprozess der Einbettung, der Durchlässigkeitsentwicklung und deren Folgen für die Produktivität der Sonden widerspiegelt. Zur Verifizierung des Berechnungsalgorithmus wurde die Einbettung realer Proppant-Schüttungen in Lagerstättengesteinen (Tonschiefer, Shale) untersucht. Hierfür wurde in einer dafür konzipierten Flutzelle ein durch Proppants gestützter Riss nachgebildet, belastet und durchströmt. Ziel der Versuche war dabei zu messen, welchen Einfluss ein Spannungsanstieg auf die Einbettung und damit auf die hydraulische Leitfähigkeit hat. Diese Versuche wurden an zwei verschiedenen Shale-Gesteinen mit zwei verschiedenen Proppant-Konzentrationen durchgeführt. Zusätzlich zu den hydraulischen Experimenten wurden mechanische Untersuchungen (Härtemessungen) ausgeführt und nach der Meyer-Analyse der Werkstofftechnik interpretiert. Ein besonderer Vorteil dieser Auswertungsmethode liegt in ihrer durch Dimensionsanalyse erzielten Übertragbarkeit der Ergebnisse von Werkstoffen auf Gesteine. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Einbettungen und hydraulischen Leitfähigkeiten ergab eine zufriedenstellende Übereinstimmung und erlaubt es festzustellen, dass mit der neuen Formulierung die planerische Voraussage von Frac-Stimulation möglich ist, wobei alleine die relativ einfachen laborativen Messverfahren zur Härtemessung (Gestein) und zur Korngrößenanalyse (Proppant) erforderlich sind.

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents. / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.

Im Rahmen von Sicherheitsanalysen kommen Szenarien zur Anwendung, die eine Verletzung der geologischen Barriereintegrität in einem Endlager beschreiben. Während bei der normalen Entwicklung eines Endlagers im Steinsalz von dem langzeitig sicheren Einschluss der radioaktiven Abfälle ausgegangen wird, beschreiben die Szenarien die sogenannte &amp;quot;gestörte&amp;quot; Entwicklung. Das Anhydritszenario hebt auf den Lösungszufluss entlang der Anhydritklüfte und die sich ergebenden Konsequenzen für den Isolationsbereich ab. Obwohl untertägige Untersuchungen gezeigt haben, dass die meisten geologischen Klüfte geschlossen bzw. mit Mineralisationen gefüllt waren, muss in der Störfallanalyse das Anhydritszenario betrachtet werden. Es ist deshalb unverzichtbar, im Rahmen der Integritätsbewertung der geologischen Barriere das gebirgsmechanisch-hydraulische Verhalten des Hauptanhydrits zu bewerten. Die Bedingungen für das Eintreten des Anhydritszenarios müssen untersucht und dafür standortunabhängige Methoden und Kriterien entwickelt werden. In der Arbeit werden die lithologisch-tektonischen Bedingungen untertägiger Hauptanhydritaufschlüsse in unterschiedlichen Salzbergwerken in Thüringen und Sachsen-Anhalt beschrieben und untereinander verglichen. In zwei Gruben in unterschiedlicher Teufe wurden die Spannungsänderungen und Konvergenzen bei der Auffahrung von 2 Messkammern im Hauptanhydrit ermittelt. Vergleichbare Untersuchungen fanden am Grauen Salzton statt, der über Strecken aufgeschlossen war. Unter Verwendung von Bohrkernen fanden umfangreiche Laborversuche zur Festigkeit, Deformierbarkeit und hydraulischen Dichtheit des Anhydrits und Salztons statt. Nach einer umfassenden Analyse der historischen Ereignisse am Staßfurter Sattel vor etwa 100 Jahren wurden die Voraussetzungen für einen Lösungszufluss bewertet und das Szenario nachgerechnet. Es stellte sich heraus, dass die minimale Druckeinspannung eine fundamentale Bedeutung für die hydraulische Integrität besitzt. Für die In-situ-Spannungsmessungen im Anhydrit und benachbarten Steinsalz wurde eine neue Hydrofrac-Messsonde mit seismoakustischer Rissortung gebaut sowie für die Bohrlochschlitzmessungen im Steinsalz eine neuartige Auswertebeziehung unter Berücksichtigung der Tangentialspannungsrelaxation am Bohrlochrand entwickelt. Weiterhin wurde eine einfach anwendbare Methode zur Bestimmung der Permeabilität aus instationären Druckstoßtests eingeführt. In Labortests an Gesteinswürfeln unter drei unterschiedlichen Hauptnormalspannungen konnten Kenntnisse zur Rissbildung und den hydraulischen Eigenschaften gewonnen und Kriterien für die Bewertung der Barrierenintegrität abgeleitet werden. Im Bergwerk Bernburg erfolgten auf dieser Basis In-situ-Tests zur Ermittlung der Rissausbreitung und dem damit verbundenen Fluidfluss unter konstanten Gebirgsspannungen sowie in Abhängigkeit von der Entfernung des Messortes zu einer Abbaufront. Für die abschließenden Schlussfolgerungen und die Festlegung übertragbarer Kriterien wurden ausgewählte Untersuchungen im Labor und in situ unter Verwendung des Fließgesetzes nach Darcy sowie des kubischen Fließgesetzes hydraulisch-mechanisch gekoppelt modelliert.

“History matching” (model calibration, parameter identification) is an established method for determination of representative reservoir properties such as permeability, porosity, relative permeability and fault transmissibility from a measured production history; however the uniqueness of selected model is always a challenge in a successful history matching. Up to now, the uniqueness of history matching results in practice can be assessed only after individual and technical experience and/or by repeating history matching with different reservoir models (different sets of parameters as the starting guess). The present study has been used the stochastical theory of Kullback & Leibler (K-L) and its further development by Akaike (AIC) for the first time to solve the uniqueness problem in reservoir engineering. In addition - based on the AIC principle and the principle of parsimony - a penalty term for OF has been empirically formulated regarding geoscientific and technical considerations. Finally a new formulation (Penalized Objective Function, POF) has been developed for model selection in reservoir history matching and has been tested successfully in a North German gas field. / „History Matching“ (Modell-Kalibrierung, Parameter Identifikation) ist eine bewährte Methode zur Bestimmung repräsentativer Reservoireigenschaften, wie Permeabilität, Porosität, relative Permeabilitätsfunktionen und Störungs-Transmissibilitäten aus einer gemessenen Produktionsgeschichte (history). Bis heute kann die Eindeutigkeit der identifizierten Parameter in der Praxis nicht konstruktiv nachgewiesen werden. Die Resultate eines History-Match können nur nach individueller Erfahrung und/oder durch vielmalige History-Match-Versuche mit verschiedenen Reservoirmodellen (verschiedenen Parametersätzen als Startposition) auf ihre Eindeutigkeit bewertet werden. Die vorliegende Studie hat die im Reservoir Engineering erstmals eingesetzte stochastische Theorie von Kullback & Leibler (K-L) und ihre Weiterentwicklung nach Akaike (AIC) als Basis für die Bewertung des Eindeutigkeitsproblems genutzt. Schließlich wurde das AIC-Prinzip als empirischer Strafterm aus geowissenschaftlichen und technischen Überlegungen formuliert. Der neu formulierte Strafterm (Penalized Objective Function, POF) wurde für das History Matching eines norddeutschen Erdgasfeldes erfolgreich getestet.

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Bei Schweinen lassen sich im Anfangsteil des Dickdarms hohe Konzentrationen an Histamin nachweisen. Zum einen wird viel exogenes Histamin in der Ingesta durch Bakterien gebildet. Zum anderen befindet sich im proximalen Kolon viel endogenes Histamin, welches in verschiedenen Populationen von Mastzellen gespeichert ist. Beide Histaminquellen stellen eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit des Tieres dar. Sollte Histamin in den vorhandenen Mengen in die Blutzirkulation übertreten, müsste mit dem Tod des Tieres gerechnet werden. Da unter normalen Bedingungen bei Schweinen keine pathophysiologischen Reaktionen auf die hohen Histaminkonzentrationen im Darm beobachtet werden können, muss auf eine effektive Darmbarriere geschlossen werden. Weil weder diese Barriere bisher untersucht wurde, noch bekannt war, welche Wirkung Histamin in diesem Darmteil des Schweins besitzt, sollte in dieser Arbeit Wirkung, Permeation und Katabolismus von Histamin an isolierten Epithelien des proximalen Kolons mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht werden. Die Zugabe von Histamin zur serosalen Seite der Epithelien führte zu einem schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Untersuchungen an Darmepithelien, in denen eine H1-vermittelte Wirkung von Histamin gefunden wurde, wurde die Wirkung am proximalen Kolon des Schweins über H2-Rezeptoren vermittelt. Die Änderung des Kurzschlussstroms nach Histaminzugabe resultierte aus einer Chloridsekretion. Eine Chloridsekretion scheint somit eine generelle Wirkung von Histamin auf Darmepithelien zu sein, unabhängig von der Art des Wirkungs-vermittelnden Rezeptortyps. Histamin wurde aus den Epithelpräparationen spontan und nach Stimulation von Mastzellen freigesetzt. Obwohl nach Mastzellstimulation eine hohe Histaminfreisetzung beobachtet werden konnte, war dieses Histamin nicht an der sich aus der Stimulation ergebenen elektrophysiologischen Reaktion des Epithels beteiligt. In Fluxstudien mit radiaktiv markiertem Histamin wurde eine konzentrationsabhängige Histaminpermeation über das Epithel festgestellt. Diese Permeation ist von mukosal nach serosal scheinbar parazellulär lokalisiert. Dagegen scheint bei der Permeation von serosal nach mukosal ein transzellulärer Anteil vorhanden zu sein, da eine aktive Sekretion von Histamin in das Darmlumen festgestellt werden konnte. Während der Permeation von Histamin über das Epithel wurde in Abhängigkeit von der vorgegebenen Konzentration zwischen 80% und 100% des permeirenden Histamins verstoffwechselt. Somit besteht eine effektive Darmbarriere gegenüber exogenem Histamin, die sich aus einer geringen Permeation und einer hohen intraepithelialen Verstoffwechselung von Histamin zusammensetzt. Beide für den Abbau von Histamin in Frage kommenden Enzyme, Diaminoxidase (DAO) und Histamin-N-Methyltransferase (HNMT), sind am Katabolismus von Histamin beteiligt. Während in der Literatur die DAO als das „bedeutendste Enzym des Histaminkatabolismus am Darm“ angegeben wird, ist am proximalen Kolon des Schweins die HNMT wichtiger für den Histaminabbau. Beide Enzyme bewerkstelligen sowohl den Abbau von endogen freigesetztem Histamin als auch von transepithelial permeierendem Histamin. Somit hätte eine Hemmung dieser Enzyme, die durch eine Vielzahl von Stoffen, darunter gebräuchliche Arzneimittel, hervorgerufen werden kann, dramatische Konsequenzen. In diesem Fall würde der Körper in hohen Maßen sowohl von endogenem als auch von exogenem Histamin aus dem Darm belastet werden. / In the oral part of pig large intestine, high amounts of luminal histamine can be found due to bacterial production. Further more, histamine is abundantly present in the intestinal wall, where it is stored in different populations of mast cells. Both sources of histamine, exogenous and endogenous, are very dangerous for the body, because histamine is able to elicit systemic effects when it is spilt over in the systemic circulation. Under normal conditions no pathophysiological reactions can be observed in pigs due to the high amounts of histamine in the gut. Therefore, it must be concluded that there is a very effective barrier against luminal histamine. However, neither the barrier function has been characterized yet, nor is there any data available on the action of histamine in this part of the porcine gut. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect, permeation and catabolism of histamine in isolated epithelia of the proximal colon by using the Ussing chamber technique. Addition of histamine to the serosal side induced a rapid rise in short-circuit current. In contrast to many studies investigating the action of histamine in other gut epithelia, in the pig proximal colon histamine acts via H2 receptors. Histamine induced a chloride secretion, which seems to be a common mechanism of gut epithelia, independent from histamine receptor type involved. Endogenous histamine was liberated spontaneously from the epithelia in small amounts. High amounts of histamine were found after a mast cell stimulation. However, this histamine did not participate in a concurrent electrophysiological reaction of the epithelia. In flux studies with radioactively labeled histamine, a transepithelial permeation of histamine was observed in a dose dependent manner. This permeation was located on the paracellular pathway in the mucosal-to-serosal direction. In the serosal-to-mucosal direction a, at least in part, transcellular pathway must be concluded from the observed histamine secretion into the gut lumen. Among 80% and 100% of histamine was catabolised dose-dependently during permeation. Therefore, the very effective gut barrier against histamine is based on a low paracellular permeation and a high intraepithelial catabolism of histamine. The histamine-degrading enzymes, diamine oxidase (DAO) and histamine N-methyltransferase (HNMT), took both part in the catabolism of histamine. While in literature DAO is called “the bottleneck of histamine degradation in the gut”, HNMT seems to be more significant in pig proximal colon. DAO and HNMT are important for the catabolism of exogenous and endogenous histamine. Therefore, inhibition of these enzymes, which is possible by numerous drugs, would have dramatic consequences. In that case, high amounts of histamine would be able to reach the systemic circulation.

“History matching” (model calibration, parameter identification) is an established method for determination of representative reservoir properties such as permeability, porosity, relative permeability and fault transmissibility from a measured production history; however the uniqueness of selected model is always a challenge in a successful history matching. Up to now, the uniqueness of history matching results in practice can be assessed only after individual and technical experience and/or by repeating history matching with different reservoir models (different sets of parameters as the starting guess). The present study has been used the stochastical theory of Kullback & Leibler (K-L) and its further development by Akaike (AIC) for the first time to solve the uniqueness problem in reservoir engineering. In addition - based on the AIC principle and the principle of parsimony - a penalty term for OF has been empirically formulated regarding geoscientific and technical considerations. Finally a new formulation (Penalized Objective Function, POF) has been developed for model selection in reservoir history matching and has been tested successfully in a North German gas field. / „History Matching“ (Modell-Kalibrierung, Parameter Identifikation) ist eine bewährte Methode zur Bestimmung repräsentativer Reservoireigenschaften, wie Permeabilität, Porosität, relative Permeabilitätsfunktionen und Störungs-Transmissibilitäten aus einer gemessenen Produktionsgeschichte (history). Bis heute kann die Eindeutigkeit der identifizierten Parameter in der Praxis nicht konstruktiv nachgewiesen werden. Die Resultate eines History-Match können nur nach individueller Erfahrung und/oder durch vielmalige History-Match-Versuche mit verschiedenen Reservoirmodellen (verschiedenen Parametersätzen als Startposition) auf ihre Eindeutigkeit bewertet werden. Die vorliegende Studie hat die im Reservoir Engineering erstmals eingesetzte stochastische Theorie von Kullback & Leibler (K-L) und ihre Weiterentwicklung nach Akaike (AIC) als Basis für die Bewertung des Eindeutigkeitsproblems genutzt. Schließlich wurde das AIC-Prinzip als empirischer Strafterm aus geowissenschaftlichen und technischen Überlegungen formuliert. Der neu formulierte Strafterm (Penalized Objective Function, POF) wurde für das History Matching eines norddeutschen Erdgasfeldes erfolgreich getestet.