Techn. Universiẗat, Diss.--Braunschweig, 2007.

Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2008

Transplantate von nichtverwandten Lebendspendern zeigen unabhängig von der immunologischen Kompatibilität eine signifikant bessere Kurzzeit- und Langzeitfunktion im Vergleich zu Transplantaten von hirntoten Organspendern. Die Tatsache, dass das Überleben von Nierentransplantaten von nichtverwandten Lebendspendern identisch mit dem Organüberleben von verwandten Lebendspendern ist, demonstriert die Bedeutung Antigen-unabhängiger Faktoren und relativiert die Rolle von HLA-Unterschieden. Die Vermutung, dass das unterschiedliche Organüberleben nach Transplantation von Leichen- und Lebendspenderorganen auf pathophysiologischen und weniger auf genetischen Unterschieden beruht, führte zu Untersuchungen funktioneller und struktureller Veränderungen, assoziiert mit unspezifischer Organschädigung. Unsere Untersuchungen zeigten, dass Transplantate sowohl von marginalen Spendern als auch von hirntoten Organspendern zum Zeitpunkt der Entnahme immunologisch aktiviert sind. Somit initiieren oder amplifizieren sie zum Zeitpunkt der Transplantation die Immunantwort des Organempfängers. Das potenziell aktivierte Organ provoziert eine Interaktion zwischen unspezifischen proinflammatorischen Schäden und der zum Zeitpunkt der Reperfusion einsetzenden Immunantwort. Die Trigger dieser Interaktion können Spender-assoziierte Risikofaktoren wie z.B. Alter, Hypertension, Diabetes mellitus oder die systemischen Effekte des Spender-Hirntodes darstellen. Der Hirntod stellt einen Antigen-unabhängigen Leichenspender-spezifischen Risikofaktor dar, der bislang unzureichend berücksichtigt wurde. In nahezu allen experimentellen Studien zu transplantationsrelevanten Fragestellungen dienen junge, gesunde Lebendspendertiere als Organspender, im Gegensatz zur klinischen Situation, in der überwiegend Organe hirntoter Organspender zur Transplantation zur Verfügung stehen. Der hirntote Organspender erleidet typischerweise eine plötzliche, irreversible und ausgeprägte Schädigung des zentralnervösen Systems. In Tiermodellen wurde demonstriert, dass die Funktion und Struktur peripherer Organe durch den Faktor Hirntod signifikant beeinflusst wird und von der Genese des Hirntodes abhängt. In einer Serie experimenteller Arbeiten wurden die Mechanismen der Schädigung und die Auswirkungen des Hirntodes auf die Transplantatqualität sowie auf das Ergebnis nach Transplantation untersucht. Diese Studien trugen wesentlich zum Verständnis des Risikofaktors Hirntod bei. Wir zeigten erstmalig in experimentellen Modellen, dass der Hirntod des Spenders den Ischämie/Reperfusionsschaden sowie die Frequenz und Intensität sowohl der akuten als auch der chronischen Abstossungsreaktion nach allogener Nierentransplantation signifikant beeinflusst. Pathophysiologisch konnte ein Prozess postuliert werden, bei dem der unspezifischen Aktivierung durch den Spender-Hirntod eine verstärkte immunologische Empfängerantwort nach Transplantation folgt. Dieser Mechanismus zeigt die enge Interaktion zwischen Antigen-unabhängigen und -abhängigen Faktoren in der Destruktion des Transplantates. Die vorgestellten experimentellen Ergebnisse werden durch eine Reihe klinischer Untersuchungen bestätigt. Morphologische Untersuchungen nach klinischer Nierentransplantation demonstrieren anhand von Biopsien, dass die Frequenz akuter Abstossungsreaktionen nach Transplantation von Leichennieren im Vergleich zu Lebendspendernieren signifikant höher ist. Eigene klinische Untersuchungen an sequentiellen humanen Leberbiopsien bestätigen ebenfalls die experimentellen Beobachtungen. In einem Konzept der Vorbehandlung des hirntoten Spenders wurden erste experimentelle Therapieansätze zur Optimierung der Spenderorganqualität untersucht. Hierbei zeigten sich vielversprechende Ergebnisse bei der Vorbehandlung mit Steroiden, der Blockade von Adhäsionsmolekülen und der Induktion protektiver Gene. Durch Vorbehandlungsstrategien kann die Organqualität signifikant verbessert werden, jedoch nicht der optimale Organstatus nach Lebendspende erreicht werden. Zur Zeit erfolgt die Evaluierung der Therapieansätze in klinischen Studien. Zusammengefasst trugen unsere Untersuchungen wesentlich zu einem besseren Verständnis der Transplantatqualität bei. Unsere Befunde erklären teilweise die klinische Beobachtung, dass Transplantate von Lebendspendern trotz eines ausgeprägteren MHC-mismatches einen besseren Kurz- und Langzeitverlauf zeigen. Die Definition der durch den Spenderhirntod verursachten Veränderungen sowie deren Therapie ermöglichen eine gezielte Verbesserung der Transplantatqualität und somit des Transplantationsergebnisses. / The ultimate goal in transplantation - to provide long-term treatment for an irreversible process - has not been achieved; the rate of attrition over time has not changed appreciably throughout the entire experience. Although recurrent disease, de novo infections, malignancies and other factors may contribute to late graft deterioration, brain death of the donor remains one of the factors which is not investigated yet. Despite well-characterized functional and morphological changes, the mechanisms leading to chronic rejection remain poorly understood. Its pathophysiology has been conceptualized as stemming from both antigen-dependent and independent risk factors. Whereas immune-mediated events are considered to be primarily responsible for the late graft changes it appears increasingly that the influence of non-immunological events has been underestimated. This concept has been emphasized by recent pooled UNOS data which show that the survival rates of kidneys from living unrelated and one haplotype-matched living related donors are identical despite potentially important differences in genetic relationship with the given recipient. In addition, organs from all living donors demonstrate consistently superior results to those from cadaver sources over both the short-and long-term. Various non-immunological factors which might explain this striking discrepancy include the effects of initial ischemia/reperfusion injury, inadequate functioning nephron mass, viral infections and drug toxicity. Brain death is a rarely considered risk factor uniquely relevant to the cadaver donor, the primary source of solid organs for transplantation. Such individuals have suffered extensive and irreversible central nervous system damage secondary to trauma, hemorrhage or infarction. Multivariate analysis has emphasized that both initial and long-term results of engrafted cadaver organs may be dependent upon donor demographics and the etiology of the central injury. The observation that insults occurring around the time of organ transplantation, regardless of whether they are antigen-dependent or independent, become risk factors for late allograft failure suggests that the long-term changes may be programmed early in the process. It has been conceptualized that the events surrounding brain death, occurring before organ removal, may be important. In addition, non-specific events relating to circumstances surrounding the donor and the perfusion and storage of organs, may initiate an inflammatory response which in turn may acutely increase host immunological activity. We showed that as a consequence, organs from brain-dead donors could experience increased and more severe episodes of acute rejection after transplantation due to increased cytokine expression after brain death induction. This assumption would explain the apparent correlation noted clinically between the effects of initial delayed graft function and acute rejection episodes, as well as the different outcome of organs originating from brain-dead in comparison to living donors. In further experiments we investigated the effects of donor treatment on the outcome and the frequency of acute rejections after kidney transplantation. In summary our experiments partly explaine the observed difference in survival and function between living- and brain-dead donor grafts. Definition and understanding of these potential alterations may suggest therapeutic approaches that could be initiated even before the transplantation procedure itself.

Der biologische Aufschluss lignocellulosehaltiger Biomasse mit Hilfe von Mikroorganismen oder ihrer Enzyme ist im Vergleich zu bekannten physikochemischen Verfahren umwelt- und ressourcenschonend. Der Einsatz geeigneter bakterieller oder pilzlicher Hydrolasen und Oxidoreduktasen in isolierten Form bedarf jedoch, aufgrund der noch zu geringen katalytischen Effizienzen und der nach wie vor zu hohen Herstellungskosten der Enzyme, weiterer Optimierung. Vor diesem Hinter-grund besteht, neben dem Ansatz einer gentechnischen Verbesserung der En-zym-Eigenschaften mittels protein oder metabolic engineering, die Möglichkeit einer prozesstechnischen Optimierung der Enzym-Präparate und ihrer Einsatzbe-dingungen. Dem letzteren Ansatz widmete sich die vorliegende Arbeit, in der ein bisher kommerziell nicht erhältliches Glycosidase-Gemisch aus dem ascomycetalen Schimmelpilz Penicillium janthinellum, der für seine hohen β-Glycosidase-Aktivitäten bekannt ist, im Zusammenhang mit dem enzymatischen Aufschluss faserreicher Substrate (Lignocellulosen) untersucht wurde. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der kombinierten Anwendung des Glycosidase-Präparats mit zwei pilzlichen Peroxidasen (Mangan-Peroxidase, MnP und Dye-decolorizing-Peroxidase, DyP). Darüber hinaus wurden vergleichende Untersuchungen zu biologischen Aufschlussverfahren unter Einsatz pilzlicher Glycosidasen und/oder mikrobieller Vorkulturen durchgeführt. Die untersuchten Lignocellulose-Substrate (Hölzer, strohähnliche Materialien) stammten aus der gemäßigten und tropischen Klimazone (Europa bzw. Kambodscha), und wurden in den Experimenten in zerkleinerter Form, allerdings ohne weitere Vorbehandlung, eingesetzt. Die Konzentration niedermolekularer Zucker (insbesondere Monosaccharide), die während des enzymatischen Aufschlusses aus den Substraten freigesetzt wurden sowie der Biogasertrag, der mittels anaerober Fermentation aus den enzymatisch und/oder mikrobiell vorbehandelten Substraten erzielt wurde, dienten zur Beurteilung der Effektivität der jeweiligen Vorbehandlung. Außerdem wurde die in den Experimenten verwendete mikrobielle Vorkultur soweit molekularbiologisch untersucht, dass die Bakterienart identifiziert werden konnte, die maßgeblich am Aufschluss der lignocellulosehaltigen Biomasse beteiligt war. Die enzymatische Umsetzung der ausgewählten lignocellulosehaltigen Substrate mit Hilfe des Glycosidase-Gemisches aus P. janthinellum verlief erfolgreich und ist vergleichbar mit Ergebnissen, die laut Literatur unter Zuhilfenahme der effektivsten industriellen Cellulase-Präparate erzielt worden sind. Es wurden vorrangig Glucose und Xylose aus den verschiedenen Zellwand-Polysacchariden freigesetzt, wobei die Umsetzung von Cellulose und Hemicellulosen im Holz tropischer Laubbäume effizienter verlief als im Holz europäischer Laubbäume. Der Gehalt an Lignin und organischen Extraktiven beeinflusste – abgesehen von einigen artenspezifischen Inhibitoren – nur geringfügig den enzymatischen Aufschluss der Polysaccharid-Komponenten. Die Vorbehandlung mit dem Glycosidase-Präparat aus P. janthinellum führte zu einer Verbesserung der Biogasbildung und zum Ausbleiben der für faserreiche Substrate typischen Lag-Phase während der ers-ten Tage der anaeroben Vergärung der Lignocellulose aus Triticum sp. (Weizen-stroh) und Pinus sylvestris (Kiefernspäne). Dabei erhöhte sich der finale Biogasertrag innerhalb des Untersuchungszeitraums signifikant. Die genannten positiven Effekte einer enzymatischen Vorbehandlung könnten sich in kontinuierlich betriebenen großtechnischen Biogasanlagen als nützlich erweisen: Zum einen ließen sich die Gaserträge deutlich erhöhen und zum anderen könnte die erforderliche Verweilzeit des Substrates im Bioreaktor (Fermenter, Faulturm) und somit das benötigte Anlagenvolumen reduziert werden. Eine vorausgehende Oxidation des im Substrat enthaltenen Lignins mit Hilfe der MnP erwies sich in der nachfolgenden Behandlung mit Glycosidasen als förderlich hinsichtlich der Freisetzung von Zuckern aus dem Holz von Fagus sylvatica (Rotbuche). Verglichen mit der häufig verwendeten Malonsäure war die Citronensäure, ein pilzlicher Metabolit des Intermediär-Stoffwechsels (Zitronensäurezyklus), ein wirksamerer Mangan-Chelator für diese Voroxidation mittels MnP. Dies hing möglicherweise mit der höheren chemischen Reaktivität der Citronensäure zu-sammen, was eine verstärkte Bildung chemischer Radikale zur Folge hatte. Eine enzymatische Vorbehandlung mittels DyP und dem Glycosidase-Gemisch in einer Reaktionskaskade wirkte sich ebenfalls positiv auf die Biogasbildung, in diesem Fall aus Bagasse von Saccharum officinarum (Zuckerrohr), aus. Dabei kam es wahrscheinlich auch zu einer partiellen Oxidation und Zerstörung des Lignins und damit zu einer Verbesserung der Zugänglichkeit der Zellwand-Polysaccharide. Im Ergebnis konnten Cellulose und Hemicellulosen in späteren Phasen der anaeroben Vergärung von den entsprechenden Mikroorganismen (Bakterien, Archaeen) besser verwertet werden. Der Voraufschluss mit Glycosidasen führte hingegen in der initialen Phase der anaeroben Vergärung zu positiven Effekten bezüglich der Biogasbildung, indem die bereitgestellten Einfachzucker (z.B. Glucose, Xylose) rasch in Methan umgewandelt wurden. Beim Vergleich verschiedener biologischer Aufschlussverfahren erwies sich eine kombinierte Vorbehandlung des Substrates („Stroh“ von Miscanthus × giganteus), bestehend aus einer Vorhydrolyse durch das Glycosidase-Gemisch und einer Vorfermentation mit einer Mischkultur gärender Mikroorganismen, als der effektivste Weg. Durch die kombinierte biologische Vorbehandlung konnte ein ähnlich hoher Methanertrag wie für Maissilage (das derzeit optimale Substrat in Biogasanlagen) erreicht werden. In der entsprechenden mikrobiellen Vorkultur wurde ein Bacillus-Vertreter aus dem so genannten Bacillus-subtilis-Artkomplex (Bacillus subtilis species-complex) mittels klassischer mikrobiologischer und molekularbiologischer Analysen als möglicher „abbaurelevanter Organismus“ identifiziert. / The biological disintegration of lignocellulosic biomass by microorganisms and their enzymes is – in comparison to established physical and chemical approaches –environmentally friendly and sustainable. The broad use of isolated bacterial or fungal hydrolases and oxidoreductases requires, however, still substantial optimization because of too low catalytic performance and too high production costs for the enzymes. Against this background, there is the possibility, besides genetic improvement of enzyme properties by protein and metabolic engineering, to optimize the process performance of enzymes as well as the reaction conditions. The latter approach has been subject of the present dissertation, in the course of which a non-commercial preparation of glycosidases from the ascomycetous mold Penicillium janthinellum, which is well-known for its high β-glycosidase activities, was used for the enzymatic disintegration of fiber-rich substrates (lignocelluloses). Experimental work focused on the combined action of the glycosidase mixture with two fungal peroxidases (manganese peroxidase, MnP and dye-decolorizing peroxidase, DyP). Furthermore, comparing studies were carried out regarding enzymatic/biological lignocellulose disintegration by isolated fungal glycosidases and/or microbial precultures. Lignocellulose substrates studied (wood, straw-like materials) originated from temperate and tropic climate zones (Europe and Cambodia, respectively) and were used after chopping in all experiments without further pretreatment. The concentration of low-molecular mass sugars (in first place monosaccharides), which were being released from the substrates during enzyme action as well as the biogas yield that was achieved via fermentation of enzymatically or microbiologically pretreated samples, were taken into consideration to evaluate the efficacy of respective treatments. Moreover, the microbial preculture used in the above experiments was analyzed on the molecular level to an extent that it was possible to identify a bacterial key species that was involved in the degradation of lignocellulosic biomass. The enzymatic treatment of selected lignocellulosic substrates with the glycosidase mixture of P. janthinellum was successful and the results are – according to literature data – comparable to results reported for the best industrial cellulase preparations. In first place, glucose und xylose were released from different cell-wall polysaccharides, and the conversion of cellulose und hemicelluloses in the wood of tropical broad-leaved trees was more efficient than in wood of respective European trees. The content of lignin and organic extractives only slightly affected the enzymatic disintegration of polysaccharide components (apart from a few species-specific inhibitors). Substrate pretreatment with the glycosidase preparation of P. janthinellum resulted in an enhancement of biogas formation and in the disappearance of the lag-phase being characteristic for the conversion of fiber-rich substrates during the first days of anaerobic treatment of lignocelluloses from Triticum sp. (wheat straw) und Pinus sylvestris (wood shavings). In this context, the final biogas yields significantly increased in the course of the experiments. The observed positive effects of enzymatic pretreatment may be beneficially ap-plied in continuously working biogas plants. That way, on one hand, the gas yields could be considerably enhanced and on the other hand, the required retention time of the substrates in the bioreactor (fermenter, digestion tower) and hence the required reactor volume could be reduced. The preceding oxidation of substrate-bound lignin with MnP turned out to be beneficial for the subsequent glycosidase treatment with respect to the release of sugars from beech wood (Fagus sylvatica). In comparison to widely used malonic acid, citric acid – a ubiquitous fungal metabolite of the intermediary metabolism (tricarboxylic acid cycle) –proved to be the more effective manganese chelator for the pre-oxidation of lignin by MnP. Probably this corresponds to the higher chemical reactivity of citric acid, which entails a forced formation of chemical radicals. Enzymatic substrate pretreatment with DyP and the glycosidase mixture within a reaction cascade had also a positive effect on the formation of biogas, in this case, from bagasse of Saccharum officinarum (sugar cane). During the respective treatment, the lignin might partially be oxidized as well and thereby, the availability of cell-wall polysaccharides was improved for hydrolase action. As the result, microorganisms (bacteria, archaea) consumed cellulose and hemicelluloses more efficiently during later phases of anaerobic fermentation. On the other hand, glycosidase pretreatments had positive effects in the initial phase of fermentation, regarding biogas formation from the ‘made-available’ monosaccharides (e.g. glucose, xylose) that were immediately converted into methane. When comparing different biological methods to disintegrate lignocellulose, pre-hydrolysis with a glycosidase mixture combined with fermentative pretreatment proved to be the most effective option (demonstrated by the example of ‘straw’ from Miscanthus × giganteus). That way, a similarly high methane yield could be achieved as with maize silage (for the time being, the most suitable substrate used in biogas facilities). In the respective microbial preculture, a Bacillus species from the Bacillus subtilis species-complex was identified as a relevant potential degrader microbe by classic microbiological and molecular analyses.

Die Messung der Schichtdicke und die Charakterisierung von Oberflächen ist in modernen Produktionsprozessen von elementarem Interesse. Fehler wirken sich nicht nur unmittelbar sondern auch in der Weiterverarbeitung zum Endprodukt aus. In der Praxis werden zunehmend immer dünnere Schichten und edlere Materialien verarbeitet, was neue Verfahren notwendig macht. In dieser Arbeit sind mechanischer Aufbau, optische Komponenten, elektronische Bauteile und Eigenschaften eines Messsystems beschrieben, welches erstmals in der Lage ist, den Mengenauftrag trockener Konversions-Schutzschichten auf Aluminiumsubstraten hochempfindlich, berührungslos und nicht-destruktiv zu bestimmen. Das Messsystem ist bereits seit einigen Monaten im industriellen Einsatz. Die Messergebnisse wurden im Rahmen dieser Arbeit in einen Kontext vielfältiger Analysemethoden gesetzt und es konnte gezeigt werden, dass die anorganischen Komponenten der Konversionsschicht maßgeblichen Anteil an der Signalbildung haben. Entscheidend für die Qualität der Beschichtung von Substraten mit Vorbehandlung ist die Bestimmung des Zirkoniumgehalts. Die Robustheit der Methode gegenüber Störungen durch andere Parameter (Abstand, Energie, Trocknungs- Temperatur und anderen) wurde erwiesen. Im Vergleich mit anderen kommerziell verfügbaren Methoden zeigt das entwickelte Messsystem keine größeren Schwächen. Es kann prinzipiell nicht nur für Konversionsschichten, sondern außerdem für viele andere Schichtsysteme genutzt werden. Das in dieser vorgestellte Messsystem und seine grundlegende Funktionsweise wurden am 18. Februar 2014 zum Patent in den USA eingereicht.

Background: A mouse model of combined UVA/riboflavin irradiation to eliminate stromal cells and other antigen-presenting cells in the cornea provides the basis for a probably low risk of corneal transplantation. Methods: After abrasion of the epithelium, the central corneas of mouse eyes were treated with UVA/riboflavin in vitro. Histological studies of hematoxylin-eosin and immunohistochemical staining with caspase 3 were performed. Dissected mouse corneas were analyzed by Western blot. Results: Apoptotic cells were shown on the central corneal stroma; a cell-free zone was displayed in the cornea. Numbers of dead cells increased according to cultivation time. However, the endothelium survived due to the adjustment of the irradiation dose. Conclusions: A cell-free zone in the stroma of the mouse cornea was produced by UVA/riboflavin irradiation in vitro. The technique makes possible to prevent or reduce immunological reactions and the risk of graft rejection by pretreatment of the donor cornea, ultimately prolonging graft survival. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Background: A mouse model of combined UVA/riboflavin irradiation to eliminate stromal cells and other antigen-presenting cells in the cornea provides the basis for a probably low risk of corneal transplantation. Methods: After abrasion of the epithelium, the central corneas of mouse eyes were treated with UVA/riboflavin in vitro. Histological studies of hematoxylin-eosin and immunohistochemical staining with caspase 3 were performed. Dissected mouse corneas were analyzed by Western blot. Results: Apoptotic cells were shown on the central corneal stroma; a cell-free zone was displayed in the cornea. Numbers of dead cells increased according to cultivation time. However, the endothelium survived due to the adjustment of the irradiation dose. Conclusions: A cell-free zone in the stroma of the mouse cornea was produced by UVA/riboflavin irradiation in vitro. The technique makes possible to prevent or reduce immunological reactions and the risk of graft rejection by pretreatment of the donor cornea, ultimately prolonging graft survival. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The study was aimed to investigate the effect of corn stalk pre-treatment duration on biogas production when cow dung and corn stalk was co-digested in an anaerobic digestion. Corn stalks were pre-treated in different durations: 2-days, 5-days, and 8-days before being added to cow dung into anaerobic co-digesters. The experiments were set up randomly by using triplicate batch anaerobic apparatus in 21 L containers that run in 60-days. The mixing ratio between a corn stalk and cow dung was 50%: 50% (based on the volatile solid value of each material), but corn stalk was cut into small pieces with around 10 cm length, while the cow dung was air dried. The results of the study indicated that all operation parameters such as temperature, pH, and alkalinity in the anaerobic batch were suitable for biogas production. The results showed that there was a significant improvement in total gas produced in the pre-treated 5-days treatment (206.4±8.4 L) compared to 2-days (153.4±9.6 L), and 8-days ones (174±11.1 L). The biogas yield of the pretreated 2-days, 5-days, and 8-days treatments were 392.7±9.8 L/kg VSfermented, 469.8±10.1 L/kg VSfermented and 497.1±13.3 L/kg VSfermented, respectively, that was not significantly different (5%). In all treatments, low concentration of methane in the beginning phase had been observed but increased and reached the optimum value for energy use after 10 days. The result of the study showed that it is preferable to have 5-days pre-treatment of corn stalk before the corn stalk is loaded to an anaerobic digester in combination with cow dung. / Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của thời gian xử lý thân cây bắp lên năng suất sinh khí khi ủ phối trộn phân bò và thân cây bắp trong điều kiện yếm khí. Ba mức thời gian xử lý thân cây bắp được chọn là 2 ngày, 5 ngày, và 8 ngày. Các thí nghiệm được bố trí ngẫu nhiên trong các bình ủ yếm khí theo mẻ 21 L, vận hành trong 60 ngày liên tiếp và có 3 lần lặp lại. Nguyên liệu ủ được phối trộn theo tỷ lệ 50% phân bò và 50% thân bắp, trong đó thân bắp được cắt nhỏ cỡ 10 cm. Kết quả thí nghiệm cho thấy tất cả các thông số pH, nhiệt độ, độ kiềm của mẻ ủ đều phù hợp để vận hành. Lượng khí sinh ra của các nghiệm thức xử lý ở 2 ngày, 5 ngày, 8 ngày được ghi nhận là 153,4±9,6 L, 206,4±8,4 L và 174±11,1 L; năng suất sinh khí của các nghiệm thức không khác biệt và đạt giá trị 392,7±9,8 L/kg VSphânhủy, 469,8±10,1 L/kg VSphânhủy và 497,1±13,3 L/kg VSphânhủy. Tất cả các nghiệm thức đều sản sinh lượng CH4 thấp ở giai đoạn đầu nhưng tăng dần theo thời gian ủ và đạt hiệu quả sử dụng sau 10 ngày ủ. Kết quả cho thấy có thể chọn mốc thời gian 5 ngày để xử lý thân cây bắp trước khi đưa vào hầm ủ biogas.

In den Pflanzenzellwänden befindliche Polysaccharide stehen dem Prozess nur bedingt als Energiequelle zur Verfügung, da diese in einem Komplex mit Lignin verknüpft sind. Um diese Substanzen für den Biogasprozess verfügbar zu machen und demnach den Substratumsatz bzw. die Prozesseffizienz zu erhöhen, sind geeignete Stoffe oder Techniken einzusetzen bzw. zu entwickeln. In dieser Arbeit wurde zielführend der Einsatz von unterschiedlichen Enzympräparaten in drei verschiedenen Prozessstufen bei ausgewählten Energiepflanzen mit variierender Häcksellänge untersucht. Anhand von Enzymaktivitätsbestimmungen konnten Enzympräparate für die einzelnen Stufen selektiert werden. Die ausgewählten Enzyme wurden einzeln oder in Mischung während der Silierung, direkt vor dem Biogasprozess sowie während des Biogasprozesses zum Substrat dotiert und dieses nach der jeweiligen Vorbehandlung in Batch-Gärtests vergoren. Neben der Biogas- und Methanausbeute wurde zur Bewertung der Enzymleistung der Abbau an Lignocellulose sowie die Freisetzung an niedermolekularen Kohlenhydraten ermittelt. Zusätzlich wurde das Quellen der Lignocellulose mit Hilfe eines Wasserzusatzes in Form einer Vorhydrolyse als Vorbehandlungsmethode mit allgemein positivem Ergebnis geprüft. Das Ziel der verbesserten Substratumsetzung bei Mais und Roggen und folglich einer Erhöhung der Biogasproduktion wurde durch den Zusatz ausgewählter Enzympräparate erreicht. Es konnten Grundlagen bezüglich der Wirkung von Enzymen in Biogasprozessen geschaffen werden, anhand derer deutlich wurde, dass besonders die enzymatische Behandlung in den der Methanisierung vorgelagerten Prozessstufen weiterzuentwickeln ist. / Polysaccharides of plant cell walls are of limited digestibility due to their cross-linking to lignin. In order to make the molecules available for the biogas process and thus increase the substrate utilization and process efficiency appropriate substances or techniques are needed. It was therefore the aim of this work to investigate the effects of different enzyme preparations in three digestion process stages. Selected energy plants with varying degrees of particle sizes (chopping lengths) were used as digester feedstock. Enzyme preparations for the different process stages were chosen by enzyme assays. The selected enzymes were added to the feedstock during the ensiling, directly before the biogas process or during the biogas process separate or in mixtures. Pre-treated substrates were subsequently digested in batch fermentation tests. Beside the biogas and methane yield the degradation degree of lignocellulose and the release of low molecular carbohydrates were investigated for evaluating the enzyme performance. Additionally, the swelling of lignocellulose caused by addition of water in a pre-hydrolysis process was examined as a method of pre-treatment, with generally positive results. The aim of an improved substrate conversion of maize and rye and thus an enhanced biogas production by enzymatic pretreatments was achieved. Scientific fundamentals regarding the impact of enzymes on biogas processes were established. Enzymatic pretreatments in process steps before methanation showed potential for further developments.

Graphene has been considered for a variety of applications including novel nanoelectronic device concepts. However, the deposition of ultra-thin high-k dielectrics on top of graphene has still been challenging due to graphene's lack of dangling bonds. The formation of large islands and leaky films has been observed resulting from a much delayed growth initiation. In order to address this issue, we tested a pre-treatment with NF³ instead of XeF² on CVD graphene as well as epitaxial graphene monolayers prior to the Atomic Layer Deposition (ALD) of Al²O³. All experiments were conducted in vacuo; i. e. the pristine graphene samples were exposed to NF³ in the same reactor immediately before applying 30 (TMA - H²O) ALD cycles and the samples were transferred between the ALD reactor and a surface analysis unit under high vacuum conditions. The ALD growth initiation was observed by in-situ real-time Spectroscopic Ellipsometry (irtSE) with a sampling rate above 1 Hz. The total amount of Al²O³ material deposited by the applied 30 ALD cycles was cross-checked by in-vacuo X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The Al²O³ morphology was determined by Atomic Force Microscopy (AFM). The presence of graphene and its defect status was examined by in-vacuo XPS and Raman Spectroscopy before and after the coating procedure, respectively.