Neue funktionale Materialien mit Papier

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1 Neue funktionale Materialien mit Papier Umformen/Tiefziehen von Papier 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 Um - formverfahren und einfache Falt- und Wickelverfahren beschränkt. 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 die Arbeiten am PMV ist es nun dank eines tiefergehenden Verständnisses von Material und Prozess möglich, deutlich höhere Umformgrade als bisher zu erreichen. Celluloseester als Beschichtungsmaterial 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. 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. 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 T Papierfabrikation und Mechanische Verfahrenstechnik S Alexanderstraße Darmstadt Prof. Dr. Markus Biesalski T Makromolekulare Chemie und Papierchemie L2 04 E303 Alarich-Weiss-Straße Darmstadt

2 Ligninbasierte Polyurethan-Beschichtungen 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. 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. Papierverstärkte Verbundwerkstoffe 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 so optimierten Materialien haben bessere oder vergleichbare Festigkeiten und E-Module als Kurzfaser verstärkte Glas - faserverbunde, 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 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 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

3 Peptide Chemistry goes green Ansatz für den Verzicht auf giftige und umweltschädliche Lösungsmittel bei der Herstellung von Peptiden Clean Peptide Technology -42 % 100 % 90 % 80 % 12 % -90 % Waste Disposal Purification Synthesis 70 % 60 % 50 % 55 % -24 % 1,2 % 40 % 30 % 41,8 % 20 % 10 % 33 % -50 % 16,5 % 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. 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-Peptid synthese (SPPS: solid-phase peptide synthesis) hergestellt. Dabei werden Aminosäuren in gewünschter Reihenfolge schrittweise zu einer Kette verknüpft. 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. 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 Dipl.-Ing. Christina Uth T Clemens-Schöpf-Institut für Organische Chemie und Biochemie AK Kolmar Alarich-Weiss-Straße Darmstadt Ein StartUp der

4 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 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 thousands 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

5 Hochaufgelöste Strukturreplikate Surface Properties Mediator Replikat zur Analyse Positionierung Erzeugung des Replikats 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. HeiGol Dr. Dmytro S. Golovko Dr. Lars-Oliver Heim Grundlage des Konzepts ist die Methodik Replikate von Oberflächen herzustellen, um diese Analysen zugänglich zu 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. Kontakt: Dr. Lars-Oliver Heim T Center of Smart Interfaces L Alarich-Weiss-Straße Darmstadt Ein StartUp der

6 Unsere Verfahren Weichmetallstreifen 2-K-Silikon Der Einsatz unterschiedlicher synthetisierter Polymere erlaubt die Adaption an unterschiedliche Anforderungen: 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 nach - folgende Analyse ermöglicht. Die Vorteile der neuen Methode gegenüber alternativen Verfahren zum Replizieren von Oberflächen, sollen am Beispiel der Begutachtung von Druckwalzen erfolgen. 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. Abbildung oben zeigt, dass es nur mit unserer Methodik gelingt, das Näpfchenvolumen den hier entscheidenden Parameter zu quantifizieren. Bei der Methodik handelt es sich um einen grundlegenden Ansatz. Auf welcher Größenskala letztlich die Analysen stattfinden, bleibt dem Anwender überlassen. Diese Methodik ermöglicht einerseits Experten unterschiedlicher Analysemethoden den Messbereich sowie die Zu - gänglichkeit 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. Surface replication with high resolution 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

7 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. Um die Reaktionen nativer Zellgewebe oder intakter Organismen auf Testsubstanzen auch mit in-vitro Zellkulturen abzubilden, muss die Kultivierung von Zellen allerdings unter Berücksichtigung zahl - reicher Parameter erfolgen. 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 dreidimensionalen 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. Mit wachsender Zahl der zu berücksichtigenden Parameter steigen unweigerlich Komplexität und Kosten der Zellkulturen, sodass vor allem jene Parameter in High- Content-Screenings unberücksichtigt bleiben, die nur mit vergleichsweise hohem Aufwand zu verwirklichen, aber keineswegs weniger wichtig sind: 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 T PD Dr. rer. nat. Tobias Meckel Biophysik & Zellbiologie T Darmstadt

8 Biochemie Geometrie Physik Nährstoffe Ionen Wachstumsfaktoren ph Wert Gradienten Porosität 3D -Matrix Temperatur Steifigkeit Bewegung Parameter, die bei der in-vitro Kultivierung von Zellen zur Nachahmung nativer Gewebe berücksichtigt werden müssen. Während dreidimensionale Kulturbedingungen und Gradienten trotz des technischen Aufwands schrittweise Einzug 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. Wir entwickeln daher ein System, in dem dreidimensional kultivierte Zellen kontinuier - lichen Bewegungsreizen ausgesetzt und dabei gleichzeitig mikroskopisch beobachtet werden können. Das System ist a kompatibel mit hochauflösenden Methoden der Fluoreszenzmikroskopie (Nobelpreis Chemie 2014) a unter Einhaltung der Industrienorm im Mikrotiter- Plattenmaß skalierbar a offen und damit kompatibel mit vorhandenen Zellinkubatoren a mit einer Vielzahl von Zelltypen verwendbar (Krebszelllinien, Stammzellen) 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 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. 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

9 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 Aus legung 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 Anlagenplaner 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 Darmstadt T Ein StartUp der

10 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 be - zeichnet. 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 ganzheit - liche 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 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. At 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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