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SpinnennetzBei  Rasterkraftmikroskop-Untersuchungen der Seide von braunen Einsiedlerspinnen fanden  Forscher aus Williamsburg (VA, USA) heraus, dass jeder Faden, 1000 mal dünner ist als ein menschliches Haar, wie ein Kabel aus einigen tausend Protein-Nanosträngen von 20 Millionstel Millimeter Durchmesser und mindestens 1 Mikrometer Länge besteht.

Dass lange Nanofasern das Geheimnis der hohen Reißfestigkeit von Spinnenseidenfäden sind, wurde lange vermutet. Die einzigartige Seide der braunen Einsiedlerspinne, die im Gegensatz zu anderen Spinnenseiden aus flachen Bändern statt zylindrischen Fasern besteht, erleichterte jetzt die mikroskopische Untersuchung. Bereits im letzten Jahr konnte das Team zeigen, dass die braune Einsiedlerspinne ihre Seidenstränge mit einer speziellen Technik verstärkt. Mittels einer winzigen, nähmaschinenähnlichen Spinndüse webt die Spinne etwa 20 Mikroschleifen in jeden Millimeter Seide, die sie auswirft, was den klebrigen Faden reißfester macht.

Zur Originalpublikation http://www.sciencemag.org/news/2018/11/spider-silk-five-times-stronger-steel-now-scientists-know-why

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Otto von Guericke – Preisträger 2018: Dr.-Ing. Grzegorz Śliwiński und Dipl.-Ing. (FH) Michael Werner (Quelle: AiF)

Für die Entwicklung eines kindgerechten Therapiegeräts und einer Simulationsplattform für die Skoliosebehandlung haben Dr.-Ing. Grzegorz Śliwiński von der Technischen Universität (TU) Dresden und Dipl.-Ing. (FH) Michael Werner vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umform­technik (IWU) in Chemnitz den Otto von Guericke-Preis der AiF erhalten. Der Preis wird einmal im Jahr für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der IGF vergeben und ist mit 10.000 Euro dotiert. Koordiniert wurde das Projekt vom AiF-Mitglied DECHEMA; dort ist die Medizintechnik eines von sieben Fokusthemen. Wir sprachen mit dem Geschäftsführer der DECHEMA, Prof. D. Kurt Wagemann.

Welche Rolle spielt Medizintechnik in der DECHEMA?

Wagemann: Auf den ersten Blick verwundert es vielleicht, dass wir als Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie Medizintechnik als ein Fokusthema benannt haben. Es gibt aber viele thematische Schnittmengen und Synergien – drei Beispiele sollen dies veranschaulichen: Zellkulturtechniken aus der Biotechnologie können Gewebeersatz produzieren, aber ebenso auch für die Pharmaentwicklung eingesetzt werden – übrigens war dies das Thema des gleichfalls von uns nominierten Otto von Guericke-Preisträgers 2013, Tobias May! Zweites Beispiel: Werkstoffe für Implantate – stellen Sie sich vor, man würde sich mit deren Korrosionsverhalten nicht befassen. In der Sensorik basieren viele Anwendungen auf dem gleichen Messprinzip – mit einem Gassensor lassen sich Fermentationsgase ebenso wie Atemgas analysieren. Biotechnologie, Prozesstechnik und Medizintechnik können stark voneinander profitieren, das ist meine feste Überzeugung.

Planen Sie weitere Aktivitäten in diesem Bereich?

Wir haben durch die Fusion mit der Gesellschaft fms im letzten Jahr unsere Kompetenzen erweitert – wobei ich dazu sagen möchte, dass die Medizintechnik schon lange an verschiedenen Stellen der DECHEMA ihren Platz hatte, sei es in der Sensorik, verschiedenen Anknüpfungspunkten zur Zellkulturtechnik oder in der Werkstoff-Forschung des DECHEMA-Forschungsinstituts. Zukünftig möchten wir uns auf diesem Gebiet weiter verstärken. Dabei können wir die besonderen Stärken der DECHEMA ausspielen: Anwendungsorientierung, Interdisziplinarität und das Bestreben, mit Technologie das Leben der Menschen zu verbessern.

Mehr zur Medizintechnik in der DECHEMA

Weitere Informationen zum Otto von Guericke-Preis 2018

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Können sich Anlagenplaner und Betreiber dank Digitalisierung bald gemütlich zurücklehnen und der Steuerung im digitalen Zwilling die Arbeit überlassen? Nein, denn es bleibt noch viel zu tun. Das zeigt unter anderem der Zwischenstand des Projektes ENPRO. Mit dem Betreuer Linus Schulz haben wir über neue Erkenntnisse und den Ausblick auf Phase 2 gesprochen.

dechema_2016_004DECHEMA: Die erste Projektphase ist beendet, die zweite Phase hat begonnen. Wenn Sie jetzt eine Zwischenbilanz ziehen müssten, was hat Sie am meisten überrascht?

Linus Schulz, ENPRO-Projekt: Aus einer naiven Sicht hat es mich überrascht, wie schwierig das Zusammenspiel von automatisierten Komponenten ist. Auch die unterschiedlichen Moduldefinitionen, das war überraschend, wie schwierig das ist. Wir haben das Projekt „Modularisierung“; da kam, auch erstaunlich für die ganzen Projektbeteiligten, die Frage auf „Wie definiere ich eigentlich ein Modul?“.

DECHEMA: Welche Konsequenzen hatte das für die Diskussionen im Projekt?

Schulz: Wir haben ganz lange über diese Frage diskutieren müssen, weil die einzelnen Charaktere in der Thematik das jeweils anders gesehen haben. Ein Großanlagenbauer sieht das anders als ein Apparatehersteller. Für viele Firmen ist es ein Modul, wenn die sagen, wir setzen etwas in einen 20-Fuß-Container. Das ist aber ein völlig individualisierter 20-Fuß-Container. Für jemanden, der sich mit Automatisierung beschäftigt, ist das eine individualisierte Kleinanlage.

DECHEMA: Wie weit ist denn die Standardisierung in dem Bereich gekommen?

Schulz: Bei der Automatisierungstechnik sind die ersten Weißdrucke an VDI-Richtlinien raus, bei den verfahrenstechnischen Schnittstellen und Auslegungen soll Ende des Jahres der erste Gründruck herauskommen. Wir befinden uns derzeit aktiv in der Standardisierung. Beim MTP, also beim Modul Type Package im NAMUR-Projekt, gibt es eine erste standardisierte Beschreibung eines Moduls. Das ist noch nicht in der Anwendung, aber die ersten Firmen bauen es mittlerweile in ihre Software ein.

 

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Mehr zu ENPRO und zur Digitalisierung in der Anlagen- und Prozesstechnik erfahren Sie beim Jahrestreffen – melden Sie sich jetzt an unter www.dechema.de/paat2018

 

 

DECHEMA: Gibt es in der zweiten Phase des Projekts, die jetzt läuft, etwas, bei dem Sie sagen, das finde ich besonders spannend?

Schulz: Da bin ich beim Projekt ORCA. Was ich da das Spannende finde ist, dass sie mit dem Regierungspräsidium in Darmstadt zusammenarbeiten, um die Genehmigung von modularen Anlagen zu besprechen. und auch schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt die Genehmigungsverfahren vielleicht anzupassen. Also, dass nicht nur reine Projektarbeit getan wird, sondern dass da schon während der Projektlaufzeit auch die Regularien angeschaut und eventuell auch Lösungsvorschläge erarbeitet werden. Das ist etwas, was ich so aus ganz wenigen Forschungsprojekten kenne. Also hier ist es so, dass erkannt wurde, dass eine der großen Herausforderungen sein wird, eine modulare Anlage nicht nur technisch zu lösen, sondern auch von den Regularien her. Weil wenn die Regularien nicht stimmen, muss ich eine modulare Anlage, wenn ich sie wieder umbaue, wieder komplett neu genehmigen lassen.

DECHEMA: Wie geht es weiter bei ENPRO? Warum lohnt sich das Mitmachen?

Schulz: Wir haben Projekte, die noch nicht genehmigt, aber in der Vorbereitung sind. Da geht es zum Beispiel um Logistik, um Auswahlverfahren für Module und Apparate, um eine weitere und  bessere Datenintegration. Also es ist ein ganz großer Blumenstrauß an verschiedenen Themen, die aber alle die Idee der Prozessbeschleunigung und Energieeffizienz in sich tragen. Und es lohnt sich mitzumachen, weil die Einzelprojekte eine relativ große Freiheit haben, wie sie ihre Forschung selbst organisieren und gleichzeitig  den Mehrwert eines sehr intensiven Austauschs mit Gleichgesinnten bieten.

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In der Regel werden bei Elektrolysen Flüssigkeiten wie Wasser oder in Flüssigkeiten gelöste Ionen, z.B. zu Metallen oder Chlor, umgesetzt. Was aber, wenn ein Gas elektrolytisch gespalten werden soll? Dieser Herausforderung stellen sich Wissenschaftler von Siemens im Forschungsprojekt „Rheticus“. Dabei soll mit Hilfe von Strom aus regenerativen Quellen Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid umgesetzt werden. Bei der Entwicklung kam den Forschern der Zufall zu Hilfe, erzählt Günter Schmid, Principal Key Expert Research Scientist bei Siemens: „Kollegen von Covestro und ich habe vor einiger Zeit entdeckt, dass Sauerstoffverzehr-Kathoden aus der Chloralkalielektrolyse auch in der Lage sind, CO2 zu reduzieren. Natürlich ist einiges an Nachentwicklung notwendig, aber wir konnten in einer gemeinsamen Veröffentlichung von Evonik, Covestro und Siemens bereits eine Lebensdauer von 1200 Stunden nachweisen.“ Im Kopernikus-Satellitenprojekt Rheticus arbeiten die Unternehmen jetzt daran, diese Elektrolyse in den industriellen Maßstab zu bringen. Das gebildete CO dient dann als Grundlage für einen fermentativen Prozess, in dem Butanol und Hexanol erzeugt werden.

Der kontinuierliche Betrieb sei am Anfang die größere Herausforderung gewesen, erzählt Schmid: Die Elektrolysezelle basiert auf zwei Kreisläufen: Auf der Anodenseite wird Wasser oxidiert. An der Kathode wird CO2 zu CO reduziert. Eine der Herausforderungen: Die Löslichkeit von CO2 in Wasser. „In einer Limoflasche sind maximal 2 g CO2 pro Liter gelöst. Das ist nicht viel, Stromdichten von mehreren 100 mA pro cm² kann man damit nicht erreichen“, erklärt Schmid. „Deshalb setzt man die sogenannte Gasdiffusionselektrode ein.“ Deren Kern bildet ein Metall- oder Kunststoffgitter, in das ein Katalysator eingepresst wird. Dabei muss die Porengröße so bemessen sein, dass der Elektrolyt nicht hindurchläuft, aber Gas eindringen kann. Dass das CO2 den Wettbewerb um Elektronen gegen das umgebende Wasser gewinnt, obwohl an der Elektrodengrenzfläche die Relation 2 Gramm CO2 pro kg Wasser beträgt, liegt an der hohen Überspannung des Silbers gegenüber Wasserstoff – stimmt hier ein Parameter nicht, entsteht anstelle des CO vor allem Wasserstoff. „Wie man diese Faraday-Effizienz richtig „tuned“, haben wir im Projekt gelernt“, sagt Günter Schmid. Bei Design und Optimierung solcher Gasdiffusionselektroden sind zahlreiche Faktoren zu beachten – Leitfähigkeit, Morphologie, chemische Zusammensetzung, Porosität und Durchdringdruck, bei dem das Gas eindringt, aber nicht „durchblubbert“. Und natürlich spielen sie auch beim Scale-up eine entscheidende Rolle.

PF Electrolysis AnzeigeUm den Stromkreis zu schließen und einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, müssen Ladungsträger zwischen Wasser und CO2 hin und her bewegt werden. „Im einfachsten Fall sollten die Protonen, die an der Anode entstehen, das Hydroxid an der Kathode neutralisierten und so hätten wir unseren Stromkreis geschlossen“, erklärt Schmid. Der Teufel liegt im Detail, denn je nachdem, welche der vorhandenen Ionen für den Ladungsausgleich sorgen, kommt es zu unerwünschten Nebenreaktionen. Über die Konzentration des Elektrolyten und die Auswahl der Membran lässt sich zwar steuern, welche Ionen zwischen den Zellen wandern. Aber die Ionen nehmen beim Durchtreten der Membran immer auch Wassermoleküle mit, und damit kommt es im Laufe des Betriebs zu Verdünnungs- und Konzentrationseffekten in den Teilzellen. Deshalb haben die Forscher ein System entwickelt, bei dem in einem externen Mischgefäß für einen Ausgleich gesorgt wird. Zudem wurde die Anode direkt auf die Membran aufgebracht, um mit einer „Zero-Gap-Anordnung“ möglichst wenig Elektrolytwiderstand zu erreichen. „Wenn das ausbalanciert ist, läuft es – auch nach 1250 Stunden war die Versuchsanordnung stabil“, erklärt Schmid.

Da es sich bei der Elektrolyse um eine Flächentechnologie handelt, steht dann als nächster Schritt für die Skalierung ins Volumen die Verschaltung mehrerer Zellen zu einem Stack an. Durch das Hintereinanderschalten der Einzelzellen mit 3-5 Volt Betriebsspannung wird der Elektrolyseur auch kompatibel zu den deutlich höheren Spannungen, die das Netz bereitstellt.

Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, ohne Akkumulation von Nebenprodukten Stromdichten von 300 mA/cm² zu erreichen. „Damit hatten wir eine Schwelle überschritten, wo man sich sagt: Wir sollten weitermachen“, sagt Schmid. Aktuell geht es nun darum, die Plattengrößen auf 300 cm² zu erhöhen; der Wunsch der Wissenschaftler wäre eine 3 m²-Elektrode wie in der Chloralkalielektrolyse, in der allerdings 120 Jahre Entwicklung stecken. Doch Günter Schmid ist optimistisch; im Dezember 2019 soll die erste Anlage in den Testbetrieb gehen und aus erneuerbarer Energie Chemikalien erzeugen.

Wenn Sie mehr über neue Technologien und Anwendungen für Elektrolyse hören wollen, registrieren Sie sich jetzt für das PRAXISforum „Electrolysis in Industry“ am 22. und 23. November 2018 in Frankfurt.

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nano-184187_1280Nanomaterialien haben längst Einzug in den Alltag gehalten. Ob als Bestandteil von Sonnencreme, im Handyakku, als Textilbeschichtung oder beim Einsatz in der Pharmazie, die besonderen Eigenschaften der winzigen Teilchen machen manches moderne Produkt überhaupt erst möglich. Dennoch flammen in der Öffentlichkeit immer wieder Diskussionen über die Sicherheit von Nanomaterialien auf. Die Wissensplattform „DaNa“ hat sich seit Jahren zur Aufgabe gemacht, zuverlässige Informationen über verschiedene Nanomaterialien, ihren Einsatz und ihre Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zur Verfügung zu stellen. In diesem Kontext hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung nun eine neue Broschüre „Nanomaterialien im Alltag“ herausgegeben. Sie beschreibt nicht nur allgemeinverständlich, warum „nano“ so besonders ist und in welchen Produkten Nanomaterialien zu finden sind. Auch Forscher kommen zu Wort: In Kurzinterviews erklären sie u.a., warum es so schwierig ist, die Exposition zu messen, welche Rückschlüsse Tests an Zellkulturen auf die Wirkung im Körper zulassen, wie sich Carbon-Nanotubes in der Produktion gefahrlos einsetzen lassen oder wie man Nanopartikel im Körper aufspürt. Auch Informationen zur Risikobewertung und zur Regulierung von Nanomaterialien finden sich in der Publikation.

Die Broschüre kann unter https://www.bmbf.de/pub/Nanomaterialien_im_Alltag.pdf kostenfrei heruntergeladen werden.

Informieren Sie sich über die aktuellsten Erkenntnisse aus der Nanotoxikologie-Forschung und treffen Sie internationale Experten bei der NanoTox 2018 – 9th International Conference on Nanotoxicology, 18. – 21. September 2018. Mehr unter http://nanotox2018.org/

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hand-3308188_1280Wie werden Sie in 10 Jahren arbeiten? Noch schneller, noch länger, noch öfter von unterwegs? Oder werden Roboter quasi auf Zuruf einen großen Teil dessen übernehmen, was Sie heute als lästige Notwendigkeit Ihrer Arbeitszeit wahrnehmen? Oder – auch das ist schließlich denkbar – sagen die Roboter Ihnen, was Sie als nächstes zu tun haben, geben Ihnen den Arbeitsrhythmus vor und sorgen dafür, dass Sie Ihre Zeit nicht vertrödeln?

Denkbar sind beide Szenarien allemal. Eine Studie von 2013 hat viele aufgeschreckt, die bisher davon ausgegangen waren, dass ihr Arbeitsplatz sicher sei: Danach könnten in Großbritannien 47 % der Jobs der Digitalisierung zum Opfer fallen – und betroffen sind nicht nur einfache Tätigkeiten, sondern auch Aufgaben, die heute von sehr gut ausgebildeten Facharbeitern oder sogar Universitätsabsolventen ausgefüllt werden. Wer testen will, wie groß das Risiko ist, dass zukünftig ein Roboter am eigenen Schreibtisch Platz nimmt, findet bei der BBC Antworten . Demnach ist das Risiko für den „Chemical Scientist“ mit nur 6% zwar überschaubar, aber der Chemiefacharbeiter wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 85 % wegrationalisiert werden.

Dabei sind die Hoffnungen, die mit der Digitalisierung verknüpft sind, durchaus groß. Wer hat nicht im Labor geflucht, wenn er die Tausendste Probe pipettiert oder endlose Stunden damit zugebracht hat, Zellkulturen zu sichten? Wer hätte nicht lieber vorausgewertete und grafisch aufbereitete Daten, anstatt sich mit riesigen Tabellen voller Messwerte und Standardabweichungen herumzuschlagen? Keine Frage, auch Biotechnologen, Chemiker und Verfahrensingenieure würden viele dieser Aufgaben lieber heute als morgen Siri oder Alexa überlassen.

Ein Besuch bei Morphosys in München zeigt, wie weit diese Entwicklung schon heute gediehen ist. Das Pipettieren, Picken und Aufbereiten übernehmen hier Hochdurchsatzmaschinen. Das Laborpersonal stellt die reibungslosen Abläufe sicher, überwacht die Roboter – und es bringt den kreativen Touch hinein: Denn wenn es darum geht, einen einmal gefundenen Antikörper zu optimieren, geht derzeit noch keine Künstliche Intelligenz über das Erfahrungswissen eines menschlichen Wissenschaftlers.

Und auch für die weltweite Zusammenarbeit macht man sich die Digitalisierung gerne zunutze. Große Konzerne haben längst Teile ihrer Forschung und Entwicklung an andere Standorte verlagert. Wo die kritische Masse an klugen Köpfen vor Ort nicht mehr erreicht wird, lässt sie sich durch Vernetzung wieder herstellen. Daten können gemeinsam bearbeitet werden, und dank Augmented Reality kann der Ingenieur in Pullach die Anlage in China besichtigen, ohne um die halbe Welt fliegen zu müssen.

Im jüngsten DECHEMA-Papier „Neuer Schub für die Biotechnologie“ skizzieren die Autoren, wohin die Kombination aus Automatisierung, Miniaturisierung und Digitalisierung führen kann. Dank der Kombination aus Hochdurchsatztechnologien, der enormen Beschleunigung beim Generieren von Daten und der Möglichkeit, diese mit Hilfe von Big Data und Künstlicher Intelligenz auszuwerten, kann der Wissenschaftler sich ganz darauf konzentrieren, seine Ideen zu verwirklichen – vom designten Molekül bis zum großindustriellen Produktionsprozess.

teens-629046_1280Doch wer einen Blick in die heutige Arbeitswelt wirft, den mag auch ein leichter Schauder ankommen angesichts der Vorstellung, dass Kollege Computer bald den Takt vorgibt. Schon heute fühlt mancher sich bei allen Vorteilen, die die neuen Kommunikationswege ermöglichen, als Sklave seines E-Mail-Kontos. Von der autonomen Zeitgestaltung bis zur Selbstausbeutung ist es häufig nur ein kleiner Schritt. Und die enorme Beschleunigung der Arbeitsprozesse führt statt zu mehr Raum für kreative Ideen und konzeptionelles Arbeiten eher zum Gegenteil: Hektisches Hinterherrennen hinter Routineaufgaben wird dann zum Standard und der Stapel unerledigter Mails wächst von Woche zu Woche. Gerade die „Digital Natives“, auf die feste Arbeitszeiten und ein stationärer Schreibtisch häufig wirken wie aus Großvaters Erinnerungsalbum, werden Wege finden müssen, mit diesen neuen Anforderungen umzugehen, ohne sich darin zu verlieren. Und bei allem Vertrauen in die Technik werden auch sie ein handwerkliches Grundverständnis brauchen, damit die Anlage nicht zur „Black Box“ für ihren Betreiber wird. Das richtige Maß zwischen Kompetenzvermittlung und praktischer Übung zu finden, ist für die Hochschulen und Personalabteilungen sicher eine der größten Herausforderungen für die nächsten Jahre und Jahrzehnte.

Was die Digitalisierung noch bedeutet für Wissenschaft und Produktion, für Verfahrenstechniker, Biotechnologen und Chemiker, darum geht es in der Podiumsdiskussion „Forschung und Produktion in einer globalen Welt“ am 12. September 2018 im Rahmen der ProcessNet-Jahrestagung und DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen.  Wie sehen Sie die Zukunft Ihrer Branche? Teilen Sie uns Ihre Meinung mit! Wir freuen uns auf Ihren Beitrag!

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Digitalisierung und Industrie 4.0 verändern komplette Geschäftsmodelle, heben neue Effizienzpotenziale und stärken die Wettbewerbsfähigkeit. In der Prozessindustrie ist traditionell die Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik stark, aber die Einführung des „Internet der Dinge“ ist eher zögerlich. Das Symposion erkundete mit Vorträgen und Kreativworkshops , welche speziellen Anforderungen die Prozessindustrie hat, was schon umgesetzt wurde und wo noch Handlungsbedarf besteht. Dazu sollte der gesamte vertikale Asset Life Cycle von der Verfahrensentwicklung über die Produktion bis zum Rückbau sowie der horizontale Supply Chain Life Cycle vom Lieferanten bis zum Kunden in der chemischen Produktion in Bezug auf die Chancen und Risiken der Digitalisierung betrachtet werden.

Impressionen vom Tutzing-Symposion 2018

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