Technische Universität Darmstadt - TTN

Neue funktionale Materialien mit Papier
Umformen / Tiefziehen
von Papier
Celluloseester als
Beschichtungsmaterial
Papier ist aufgrund seiner geringen
Dichte, seiner Festigkeit und besonders in
Hinblick auf seine ökologische Verträglichkeit ein attraktiver Werkstoff. Zurzeit ist
die Verarbeitung von Papier zu komplexen
dreidimensionalen Strukturen jedoch
hauptsächlich auf energieintensive Umformverfahren und einfache Falt- und
Wickelverfahren beschränkt.
Celluloseester sind Substanzen, die durch
polymeranaloge Umsetzungen aus Cellulose hergestellt und im Allgemeinen den
Biokunststoffen zugeordnet werden. Sie
gelten als gesundheitlich unbedenklich,
sind rezyklierbar bzw. biologisch abbaubar und damit geradezu prädestiniert
für eine Anwendung in Verbindung mit
Papier.
Umformverfahren werden lediglich in Spezialfällen angewandt. Der Verbreitung von
wirkmedienbasierten Umformverfahren,
wie sie bei Metallen erfolgreich genutzt
werden, standen bisher insbesondere die
fehlende Vorausberechenbarkeit neuer
Teilegeometrien und fehlendes Prozessund Materialverständnis entgegen.
Durch geeignete Prozessierung lassen
sich diese Cellulosederivate in verschiedenartige kolloidale und fraktale Strukturen überführen, die sich in Abhängigkeit
der Substituentenart und des Substitutionsgrades in ihrer Oberflächenchemie
unterscheiden. Durch das Ausstatten einer
Oberfläche mit derartigen Strukturen lässt
sich direkt Einfluss auf das Benetzungsverhalten sowie die Porosität nehmen.
Durch die Arbeiten am PMV ist es nun
dank eines tiefergehenden Verständnisses
von Material und Prozess möglich, deutlich höhere Umformgrade als bisher zu
erreichen.
Damit ist es z. B. möglich superhydrophobe Papieroberflächen mit unvermindert hoher Dampfdurchlässigkeit oder
geschlossene hydrophile Oberflächen mit
sehr hoher spezifischer Oberfläche zu
generieren.
Prof. Dr.-Ing. Samuel Schabel
[email protected]
T 06151 16-2154
Technische Universität Darmstadt
Papierfabrikation und Mechanische
Verfahrenstechnik
S1|14 167 Alexanderstraße 8
64283 Darmstadt
www.pmv.tu-darmstadt.de
Prof. Dr. Markus Biesalski
[email protected]
T 06151 16-2177
Technische Universität Darmstadt
Makromolekulare Chemie
und Papierchemie
L2|04 E303 Alarich-Weiss-Straße 8
64287 Darmstadt
www.chemie.tu-darmstadt.de/map/
Ligninbasierte
Polyurethan-Beschichtungen
Papierverstärkte
Verbundwerkstoffe
Lignin, das „Nebenprodukt“ des Holzaufschlusses wird gegenwärtig annähernd
vollständig (> 95 %!) einer energetischen
Verwertung zugeführt. Dabei ist Lignin
selbst ein faszinierendes Biopolymer, das
weitaus vielfältigere Einsatzmöglichkeiten
offenbart. Die Stützsubstanz des Holzes
besteht aus 3D-verknüpften Phenylpropan-Einheiten, die ihrerseits aromatische
und aliphatische Hydroxygruppen tragen.
Dem Fachgebiet Papierfabrikation und
Mechanische Verfahrenstechnik PMV ist es
in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer
LBF und der Papiertechnischen Stiftung
PTS gelungen, Papier speziell für die
Anwendung als Faserverstärkung für Verbundwerkstoffe maßzuschneidern. Weiterhin ist es möglich, die Festigkeit solcher
Verbundwerkstoffe anhand von Faser/
Papierdaten vorherzusagen.
Die Vielzahl an alkoholischen/phenolischen Funktionalitäten lässt Lignin als
geeignetes Ausgangsmaterial für chemische Umsetzungen erscheinen. Erfolgreich konnten von uns Polyurethane auf
Basis von Lignin und kommerziellen Polyolen hergestellt werden. Auch Isocyanate
auf Ligninbasis wurden erfolgreich eingesetzt. Das Ausgangslignin wurde zu diesem Zweck chemisch modifiziert.
Die so optimierten Materialien haben bessere oder vergleichbare Festigkeiten und
E-Module als Kurzfaser verstärkte Glasfaserverbunde, und das bei gleichzeitig
geringerer Dichte. Hinzu kommen noch
weitere Vorteile durch die Nutzung der
Naturfasern (Arbeitssicherheit, deutlich
geringerer Preis). Prinzipiell sind sie also
für eine Vielzahl von Applikationen geeignet.
Der Einsatz von Polyurethanen ist sehr vielseitig, und durch die Substitution von
petrochemischen PU-Bestandteilen durch
biobasierte Komponenten wird ein wertvoller Beitrag zu nachhaltigen Ressourcennutzung geleistet.
New Functional Materials with Paper
have witnessed a strongly increasing
interest both from academia as well as
industry to understand, tailor and
develop novel paper-based materials
into sustainable, functional high-tech
materials for advanced applications. To
this end, the TU Darmstadt is focusing
on various aspects in paper science and
technology, progressing from novel ways
to mechanically structure paper by deepdrawing to chemical functionalization of
paper surfaces with distinct barrier coatings and paper-reinforced light-weight
composites. Examples for such novel
paper-based materials will be shown
within the exhibition contribution of TU
Darmstadt.
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„Paper“ – a material surrounding our daily
life as a source for information storage,
packaging and construction is more than
2000 years old. Because of its highly
interesting chemical, mechanical and
thermal properties, and because paper
consists predominately of cellulose fibers
– the most abundant naturally occurring
renewable polymer – in recent years we
Peptide Chemistry goes green
Ansatz für den Verzicht auf giftige und umweltschädliche Lösungsmittel
bei der Herstellung von Peptiden
Clean Peptide Technology
-42 %
100 %
90 %
Waste Disposal
12 %
Purification
-90 %
80 %
Synthesis
70 %
60 %
55 %
1,2 %
-24 %
50 %
40 %
41,8 %
30 %
20 %
33 %
-50 %
16,5 %
10 %
0%
Fmoc
Smoc
Fluoreszierendes Smoc-Gly im Vergleich mit nicht-fluoreszierendem Fmoc-Gly unter UV-Licht
Peptide sind organische Verbindungen,
die aus einer Kette von bis zu 100 kovalent
verknüpften Aminosäuren bestehen.
Langkettige Peptide (ab 100 Amino säuren) werden als Proteine bezeichnet.
Peptide sind elementare Komponenten in
allen lebenden Systemen, ihre biologischen Eigenschaften hängen von der
Anzahl der Aminosäuren und deren
Position in der Peptidkette ab. Die 20
natürlichen Aminosäuren, die sich durch
ihre Seitenketten unterscheiden, bilden
die Basis für eine exorbitante Zahl von
Peptiden mit unterschiedlichen physikalischen, chemischen und biologischen
Eigenschaften.
Damit die Kupplung kontrolliert stattfindet, sind die verwendeten Aminosäuren
mit Schutzgruppen versehen, die zu definierten Zeitpunkten im Syntheseprozess
abgespalten werden. Die Fmoc-Schutzgruppe verhindert, dass Aminosäurebausteine im Syntheseprozess mit sich selbst
reagieren. Seit ihrer Entdeckung in den
70er Jahren hat sich die Fmoc-Schutzgruppe weltweit als Stand der Technik
durchgesetzt. Ihr stark hydrophober Charakter führt allerdings zu einer Unlöslichkeit der Fmoc-geschützten Aminosäurebausteine in Wasser. Sie können nur in
organischen Lösungsmitteln gelöst zur
Synthese eingesetzt werden.
Während Proteine mit gentechnologischen Verfahren produziert werden, wird
der weitaus größte Teil der am Markt
befindlichen Peptide u.a. aus Gründen der
Kostenökonomie chemisch-synthetisch
mittels Festphasen-Peptidsynthese (SPPS:
solid-phase peptide synthesis) hergestellt.
Dabei werden Aminosäuren in gewünschter Reihenfolge schrittweise zu einer Kette
verknüpft.
Jährlich benötigt die Peptid-Industrie
dafür zehntausende Tonnen giftiger,
umweltschädlicher und in Einkauf und
Entsorgung teurer organischer Lösungsmittel. Zudem ist der Einsatz solcher
Lösungsmittel mit erheblichen Gesundheits- und Umweltrisiken assoziiert; DMF
(N,N-Dimethylformamid), das bei der Peptidsynthese am häufigsten als organisches
Lösungsmittel zum Einsatz kommt, ist
toxisch und teratogen.
Sulfotools
Dipl.-Ing. Sascha Knauer
[email protected]
Dipl.-Ing. Christina Uth
[email protected]
T 06151 16-4758
Technische Universität Darmstadt
Clemens-Schöpf-Institut für
Organische Chemie und Biochemie
AK Kolmar
Alarich-Weiss-Straße 4
64287 Darmstadt
www.sulfotools.com
Ein StartUp der
Technische Universität Darmstadt
Stand der Technik
Die Einstufung als fruchtschädigende Chemikalie führt dazu, dass in der
industriellen Produktion von Peptiden fast ausschließlich Männer eingesetzt
werden. Der Umgang mit derartigen toxischen Lösungsmitteln erfordert für
das Personal spezielles Equipment und Vorkehrungen, Sicherheitsschulungen sind zwingend erforderlich. Versuche, die Nutzung organischer
Lösungsmittel zu reduzieren oder ganz auf sie zu verzichten sind bislang
gescheitert.
Durch Verwendung unserer, zum Patent angemeldeten, Clean Peptide
Technology (CPT) können giftige organische Lösungsmittel durch Wasser
ersetzt und die notwendigen Aminosäureüberschüsse deutlich reduziert
werden, wodurch Kosteneinsparungen von bis zu 50 %, bei gleicher oder
besserer Produktqualität, möglich sind. Zusätzlich umfasst die Technologie
ein effizientes Aufreinigungskonzept und eine simple Abwasseraufbereitung.
Clean Peptide Technology
Peptide Chemistry goes green
sands tons of hazardous organic solvents
p.a.. In our developed Clean Peptide
Technology (CPT, patent pending) the
organic solvents are replaced by water
and the excess of amino acids is reduced,
making cost savings up to 50 % possible.
Additionally, our technology offers an
economic purification concept and a
simple waste water treatment option.
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Synthetic peptides are active ingredients
in a broad range of products, among
them pharmaceuticals, cosmetics, and
food additives. The industrial production
of peptides requires high excess of
amino acid building blocks and thou-
Hochaufgelöste Strukturreplikate
Surface Properties
Mediator
Replikat
zur Analyse
Links ist beispielhaft ein Device gezeigt, mit
dem Replikate mit Abmessungen von ca. 20 mm
erzeugt werden können. Je nach Aufgabenstellung
kann dies angepasst werden.
Positionierung
Erzeugung
des Replikats
HeiGol
Dr. Dmytro S. Golovko
Dr. Lars-Oliver Heim
Kontakt:
Dr. Lars-Oliver Heim
T 06151 16-70825
[email protected]
Grundlage des Konzepts ist die Methodik Replikate von
Oberflächen herzustellen, um diese Analysen zugänglich zu
Center of Smart Interfaces
Technische Universität Darmstadt
L2|06-104
Alarich-Weiss-Straße 10
64287 Darmstadt
www.csi.tu-darmstadt.de
machen (Patentantrag ist eingereicht). Exemplarisch zeigt
dies die Abbildung oben anhand der Strukturinformation
eines Haares. Hier muss das rasterkraftmikroskopisch
gewonnene Oberflächenprofil lediglich virtuell gedreht
werden, um die „echte“ Oberfläche zu erhalten.
Ein StartUp der
Technische Universität Darmstadt
„Unsere Verfahren“
Weichmetallstreifen
2-K-Silikon
Der Einsatz unterschiedlicher synthetisierter Polymere erlaubt die Adaption an
unterschiedliche Anforderungen:
Die Vorteile der neuen Methode gegenüber alternativen Verfahren zum Replizieren von Oberflächen, sollen am Beispiel der
Begutachtung von Druckwalzen erfolgen.
Bei der Methodik handelt es sich um einen
grundlegenden Ansatz. Auf welcher Größenskala letztlich die Analysen stattfinden,
bleibt dem Anwender überlassen.
Diese Rasterwalzen dienen der Farbzuführung und haben eine Mikrostrukturierung,
bei der das Volumen der Näpfchen eine
bestimmende Größe im Druckprozess
darstellt, da darüber die Farbstoffmenge
gesteuert wird. Im Einsatz ergibt sich
durch Kontakt bei hohen Geschwindigkeiten Verschleiß, der zu einem unzureichenden Druckbild während der Produktion
führen kann, so dass eine regelmäßige
Kontrolle erforderlich ist.
Diese Methodik ermöglicht einerseits
Experten unterschiedlicher Analysemethoden den Messbereich sowie die Zugänglichkeit ihrer Verfahren zu erweitern
(dynamische Prozesse können „eingefroren“ und einer hochaufgelösten Analyse
zugänglich gemacht werden, die selbst
auf andere Zeitskalen stattfindet); andererseits können „Fachfremde“ Replikate
erzeugen und diese dann einem Analysedienstleister zuführen.
a Instantane Aushärtung
„Momentaufnahme“ von Prozessschritten
a Temperaturtoleranz
Strukturanalysen von „heißen“
Oberflächen möglich
a Zugänglichkeit
Wo der „direkte Zugang“ dem
Analyseverfahren verwehrt ist, kann
die gewünschte Information dennoch
abgeleitet werden
a Trennung Objekt/Analyse
Immobile Objekte können am
Standort verbleiben
a Probenarchivierung
Bei Ausfall einer Einheit /Reklamation
bzgl. Lieferzustands ist eine nachfolgende Analyse ermöglicht.
Abbildung oben zeigt, dass es nur mit
unserer Methodik gelingt, das Näpfchenvolumen – den hier entscheidenden Parameter – zu quantifizieren.
Concept is to develop a device (family of
devices, also for industrial applications –
in situ replication) that enables to generate replicates with very high resolution in
lateral and vertical dimensions.
This can be done at high temperatures,
locations that are not reachable with the
analyzing tool itself.
Exemplarily the principle is shown with
the surface of a human hair. All required
information is available. This is the case
for different size ranges.
In principle it can be used for different
setups with probe sizes ranging from
squared micrometers to many centimeters or even long stripes. On the picture
above a device is shown for taking round
replicas of 5-20 mm in diameter.
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Surface replication with high resolution
Zellen in Bewegung
System zur simultanen Anzucht, Bewegung und Mikroskopie
dreidimensionaler Zellkulturen in High-Content-Screenings
127,76 mm
Aktoren (gelb) übertragen Bewegung auf ein Trägergerüst (blau), das ein zellhaltiges (grün) Kollagen-Hydrogel (rot) enthält.
Einer der entscheidenden Ansätze zur
Reduzierung und Vermeidung von Tierversuchen, die zum Testen von Medikamenten, Toxinen oder Pestiziden durchgeführt
werden, besteht in der ersatzweisen Verwendung von Zellkulturen aus tierischen
oder menschlichen Zellen.
sionalen Hydrogelen, welche der Umgebung von Zellen in nativem Gewebe entsprechen, einen besonders großen Einfluss darauf hat, das natürliche Verhalten
von Zellen auch in Kultur nachzubilden.
Um die Reaktionen nativer Zellgewebe
oder intakter Organismen auf Testsubstanzen auch mit in-vitro Zellkulturen abzubilden, muss die Kultivierung von Zellen
allerdings unter Berücksichtigung zahlreicher Parameter erfolgen.
Mit wachsender Zahl der zu berücksichtigenden Parameter steigen unweigerlich
Komplexität und Kosten der Zellkulturen,
sodass vor allem jene Parameter in HighContent-Screenings unberücksichtigt bleiben, die nur mit vergleichsweise hohem
Aufwand zu verwirklichen, aber keineswegs weniger wichtig sind:
Neben altbekannten biochemischen Faktoren, wie Nährstoff- und Ionenkonzentrationen, spielen auch geometrische und
physikalische Parameter eine wichtige
Rolle. Insbesondere hat sich gezeigt, dass
eine Kultivierung von Zellen in dreidimen-
Hierzu zählen (i) die dreidimensionale Kultivierung, (ii) die kontrollierte Ausbildung
von Gradienten, sowie (iii) die kontinuierliche Bewegung der Zellverbände, z. B.
in Form rhythmischer Dehnungen oder
Stauchungen.
Dr.-Ing. Ljubomira Ana Schmitt
Material- und Geowissenschaften
[email protected]
T 06151 16-5189
PD Dr. rer. nat. Tobias Meckel
Biophysik & Zellbiologie
[email protected]
T 06151 16-21947
Technische Universität Darmstadt
64287 Darmstadt
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Biochemie
Nährstoffe
Ionen
Wachstumsfaktoren
pH Wert
Geometrie
Gradienten
Physik
Temperatur
Steifigkeit
Porosität
3D -Matrix
Bewegung
Parameter, die bei der in-vitro Kultivierung von Zellen zur Nachahmung nativer Gewebe berücksichtigt werden müssen.
Während dreidimensionale Kulturbedingungen und Gra-
Das System ist
dienten trotz des technischen Aufwands schrittweise Einzug
a kompatibel mit hochauflösenden Methoden der
in spezialisierten Anwendungen halten, bleiben Bewegungsreize während der Kultivierung weitgehend unberücksichtigt.
Gerade gerichtete Reize wie Gradienten und Bewegung
liefern Zellen jedoch wichtige Informationen über ihre Position und Ausrichtung und fördern somit die korrekte Kontaktaufnahme und Vernetzung der Zellen zueinander und zu ihrer
Umgebung.
Fluoreszenzmikroskopie (Nobelpreis Chemie 2014)
a unter Einhaltung der Industrienorm im MikrotiterPlattenmaß skalierbar
a offen und damit kompatibel mit vorhandenen
Zellinkubatoren
a mit einer Vielzahl von Zelltypen verwendbar
(Krebszelllinien, Stammzellen)
Wir entwickeln daher ein System, in dem
dreidimensional kultivierte Zellen kontinuierlichen Bewegungsreizen ausgesetzt und
dabei gleichzeitig mikroskopisch beobachtet
werden können.
a kompatibel mit in der Zellbiologie gebräuchlichen
Analyseverfahren (PCR, Western blot, Proteinbiochemie,
Durchflusszytometrie)
a vorbereitet für den Einsatz in High-Content-Screenings
(HCS)
Die Projekte werden durchgeführt mit finanzieller Unterstützung von:
3D cell culture in motion
As static environments are the rare
exception for cells within living organisms, externally supplied motion is sorely
missing from today’s cell cultures.
Introducing means to generate controllable motion within a 3D matrix will effect
both complex functions such as cellular
signaling as well as basic properties like
solute transport, thereby furthering the
goal to produce in-vitro cell cultures with
near-native properties. Our approach is
scalable, complies with the microplate
format and is compatible with standard
cell incubation equipment. Importantly, it
is also compatible with super-resolution
fluorescence microscopy.
2015 www.theissen-design.de
The cultivation of cells in 3D has proven
to be an essential upgrade to the long
used standard of growing cells on planar
supports. To even further improve the
predictive power of in-vitro cell cultures
for use in drug development or toxicity
testing, we aim to take the next significant
step in advancing cell cultivation, by
introducing motion in 3D cell cultures.
Effizienz auf Knopfdruck
Eine Software zur computergestützten Auslegung
von Pumpensystemen mit minimalen Lebenszykluskosten
Tesyo Fluidplaner – Software zur automatischen Systemauslegung
In Zeiten stetig steigender Energiekosten
und knapper werdender Ressourcen ist
das Thema Energieeffizienz längst in den
Fokus des öffentlichen Interesses gerückt.
Dies hat dazu geführt, dass bei der
Auslegung von Pumpensystemen immer
häufiger auch die Lebenszykluskosten im
Zentrum des Planungsprozesses stehen.
Bei Pumpensystemen machen die Energiekosten für den Betrieb den Großteil der
Kosten über die Betriebsdauer aus, die
reinen Anschaffungskosten sind hingegen
häufig vernachlässigbar. Um das Zusammenspiel und die Zusammenstellung der
beteiligten Einzelkomponenten zu verbessern, müssen Ingenieure und Anlagen-
planer zukünftig über den bisherigen
zweistufigen Ansatz hinausgehen, hin zu
einer ganzheitlichen Systembetrachtung
mit Hilfe mathematischer Optimierungsmethoden. Eine Methodik, mit der dies
möglich ist, wurde in den letzten Jahren an
der Technischen Universität Darmstadt
entwickelt. Die Grundidee liegt in der
Adaption und dem Einsatz quantitativer
Modelle und Methoden des Operations
Research (OR) in Ingenieurbereichen.
OR Methoden werden seit vielen Jahren
in betriebswirtschaftlichen Bereichen wie
z.B. der Logistik und dem Transport sehr
erfolgreich eingesetzt.
Dr. rer. nat. Jan Wolf
Managing director
Prof. Dr.-Ing. Peter Pelz
Prof. Dr. rer. nat. Ulf Lorenz
Prof. Dr. rer. nat. Alexander Martin
tesyo technologies GmbH
Technologie- und Innovationszentrum
Robert-Bosch-Straße 7
64293 Darmstadt
T 06151 4930-123
[email protected]
www.tesyo.de
Ein StartUp der
Technische Universität Darmstadt
TOR-Methodik: Entscheiden („?“) und Handeln („!“) mit System
Die Anwendung dieser Methoden im
technischen Umfeld ist als Technical Operations Research (TOR) bekannt und
ermöglicht die automatische Konzeption
eines lebenszykluskostenminimalen technischen Systems aus mehreren Einzelkomponenten. Dieser mehrstufige Ansatz
mit Hilfe mathematischer Optimierungsmethoden wird als TOR-Methodik bezeichnet.
In einer neuartigen Software – dem tesyo
Fluidplaner – stellt die tesyo technologies
GmbH diese TOR-Methodik dem Ingenieur zur Verfügung. Dabei bettet sich der
tesyo Fluidplaner nahtlos in den gewohnten Arbeitsablauf von Ingenieuren ein und
ergänzt somit den klassischen zweistufigen Ansatz der Systemplanung, der bisher
aus rechnergestützter Modellbildung und
Simulation besteht, durch eine ganzheitliche Systembetrachtung mit Hilfe mathematischer Optimierungsmethoden.
Der Arbeitsablauf zur Planung eines Pumpensystems mit dem tesyo Fluidplaner
folgt dem Ablauf der TOR-Methodik. Die
graphische Oberfläche ermöglicht es dem
Benutzer, die Rahmenbedingungen für
die Optimierung festzulegen. Der Benutzer kann die benötigten Bauteile aus
einem Komponentenkatalog auf einem
interaktiven Reißbrett platzieren. Die für
die Optimierung notwendigen Informationen wie zum Beispiel Kennlinien oder
Anschaffungskosten der Bauteile sind in
einer Datenbank hinterlegt, die bei Bedarf
erweitert werden kann. Die auftretenden
Lastszenarien können vom Anwender
angegeben werden. Im Hintergrund wird
anschließend ein mathematisches Optimierungsmodell erstellt und von effizienter, praxiserprobter Optimierungssoftware
gelöst. Die zugehörige Parameterbelegung wird abhängig vom Lastszenario
angegeben.
Bei Bedarf kann sich der Anwender die
Steuerungsempfehlung jedes einzelnen
Szenarios ausgeben lassen. Die Optimierungsmethoden garantieren, dass mit
keiner anderen Systemauslegung eine
bessere Lösung gefunden werden kann.
Computer-aided designs of pump systems with minimal life cycle costs
At Technische Universität Darmstadt a
research group has developed a method
called Technical Operations Research
(TOR) which allows for designing costeffective fluid systems. The basic idea lies
in the adaptation of quantitative models
and methods of Operations Research to
the technical environment. The tesyo
technologies GmbH has developed an
innovative planning software – the tesyo
Fluidplaner – that allows engineers to
apply these techniques today.
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Cheap components do not lead to costeffective systems – this is rule number one
of zeitgeisty system design. Component
manufacturers and system planners have
recognized that challenges of the modern market must be met with a holistic
system approach.