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Archive for the ‘Research’ Category

Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Metallorganische Gerüstverbindungen oder MOFs gehören vielleicht zu den spannendsten Materialklassen überhaupt. Die Vielfalt der möglichen Zusammensetzungen, Strukturen und Oberflächeneigenschaften eröffnet eine enorme Breite möglicher Anwendungsgebiete. Das zeigt ein Blick auf einige beispielhafte Veröffentlichungen der letzten Monate:

  • Eines der vielbeachteten Einsatzgebiete von MOFs ist die Abtrennung von CO2 aus feuchten Gasströmen. Bisher bereitet das große Probleme, weil die Wassermoleküle mit CO2 um die Bindungsstellen an vielen adsorptiven Materialien konkurrieren. Wissenschaftler der Polytechnischen Hochschule Lausanne um Peter Boyd screenten mit einem Computermodell 325.000 metallorganische Gerüstverbindungen auf ihr Adsorptionsverhalten. Dabei stießen sie auf 35 Strukturen, die CO2 aus nassen Abgasen filtern können. Der Trick: Die Materialien verfügen über getrennte Bindungsstellen für Wasser bzw. für CO2. So wird die Konkurrenz der beiden Moleküle vermieden. Die Ergebnisse aus dem Rechner konnten an zwei Materialien bereits verifiziert werden – sie eignen sich besser als bisher verfügbare Zeolithe und ähnliche Materialien zur CO2-Abtrennung aus feuchter Umgebung. (Publikation in Nature)
  • Ein Team der Universität Manchester stellte im November Ergebnisse zum Einsatz von MOF gegen Luftverschmutzung durch Stickoxide vor. Das „Manchester Framework Material 520 – MFM-520“ adsorbiert 4,2 mmol NO2-Dimere pro g. Behandelt man das MOF anschließend mit Wasser in Luft, wird das NO2 quantitativ zu HNO3 umgewandelt, und das MOF wird vollständig regeneriert. Damit steht ein neues edelmetallfreies Material für die Denitrifikation von trockenen und feuchten Gasströmen zur Verfügung. (Webseite der Universität Manchester)
Photo by Heorhii Heorhiichuk on Pexels.com
  • Auch andere gefährliche Substanzen lassen sich mit Hilfe von MOFs aus der Atemluft entfernen: Im Journal der American Chemical Society berichten Wissenschaftler aus den USA und China über den Einsatz von MOFs, um chemische Kampfstoffe aus der Luft unschädlich zu machen. Bisherige Ansätze scheiterten daran, dass für die Hyrolyse der Nervengifte alkalische Lösungen mit flüchtigen toxischen Basen benötigt wurden. Die Forscher der Nordwestern University und ihre Partner kombinieren MOFs auf Zirkonium-Basis mit linearem Polyethylimin, einer festen Base. Der Verbundstoff speichert genug Wasser aus der Luftfeuchtigkeit, um die Hydrolyse ohne flüssiges Wasser zu ermöglichen. Er lässt sich auf Textilien auftragen und kann so beispielsweise in Luftfiltern oder Schutzanzügen eingesetzt werden. (Artikel im J. Am.Chem. Soc.)
  • Doch der Einsatz von metallorganischen Gerüstverbindungen beschränkt sich nicht nur auf die Abtrennung von Gasen. So berichteten Wissenschaftler kürzlich in Nature Communications über Wege, MOFs so zu designen, dass sie als Katalysatoren bei der Wasserelektrolyse die Sauerstoffentstehung fördern. Dabei werden Verknüpfungen innerhalb des MOF entfernt; anstelle von Liganden mit mehreren Koordinationsstellen werden einfache Liganden eingesetzt, so dass die Netzwerkstruktur Lücken bekommt („missing linkers“). Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen die Berechnungen und lassen darauf schließen, dass durch diese Methoden auch MOFs für andere katalytische Reaktionen optimiert werden können. (Artikel in Nature Communications)

Mehr Aktuelles zu metallorganischen Gerüstverbindungen gibt es bei der 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20 – 23 September 2020 in Dresden. Bis 14. Februar 2020 können Sie Ihren Beitrag einreichen.

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Die Diskussion zur Digitalisierung in der chemischen Industrie schwankt zwischen Enthusiasmus und Ängsten – Zeit, die Diskussion anhand konkreter Beschreibungen zu führen. Das wollen wir in den nächsten Monaten in einer losen Serie tun.

Über die Veränderung der Arbeitswelt durch Digitalisierung und von neuen Geschäftsmodellen wird viel gesprochen. Deutlich wird dies durch allgegenwärtige Begriffe wie Künstliche Intelligenz, Blockchain, Big Data, 5G, Internet of Things und – als Zusammenfassung aller Aspekte im industriellen Umfeld – die Industrie 4.0. Auch Ängste sind mit diesem Trend verbunden. Wird Digitalisierung viele Berufe – vielleicht sogar den eigenen – überflüssig machen? Haben wir die Anlagen denn überhaupt noch unter Kontrolle, wenn sie nur noch von Algorithmen gesteuert werden?

Auf der anderen Seite gibt es aber auch die Enthusiasten, die durch die Digitalisierung die Lösung oder zumindest Unterstützung zur Lösung nahezu aller Herausforderungen sehen. Ein Grund für die großen Unterschiede in diesen Positionen ist eine Diskussion, die zumeist auf einem sehr hohen Abstraktionslevel geführt wird: Es werden Technologien allgemein betrachtet und ungefähre Anwendungsfälle beschrieben, ohne jedoch auf die konkrete Umsetzung in einem Bereich einzugehen.

Es ist an der Zeit, konkreter zu werden

Dies ist in Zukunftsdiskussionen durchaus zulässig und eine Vision kann man nicht entwerfen, wenn man sich in Details verliert. Manchmal ist es aber gerade bei Zukunftsfeldern an der Zeit, die Abstraktion zu reduzieren und bei der Beschreibung etwas konkreter zu werden. Durch diese konkreten Betrachtungen werden auch Chancen und Einschränkungen in spezifischen Einsatzfeldern deutlich. Zudem können die nötigen Schritte zur Umsetzung aufgezeigt werden.

In den nächsten Monaten werden wir hier Themen der Digitalisierung in der Prozessindustrie Betrachten. Zum Einstieg gibt es ein Ergebnispapier aus dem Workshop Digitalisierung elektrochemischer Prozesse, der dieses Jahr im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme InnoEMat durchgeführt wurde. Mitte Dezember organisierte Covestro die Chemalytix-Konferenz zu Data Science und Chemie – wir werden berichten. Ein Whitepaper zur Sensorik für die Digitalisierung chemischer Produktionsanlagen aus einem Workshop, der dieses Jahr bei der DECHEMA stattgefunden hat, wird in Kürze veröffentlich – auch dazu bald mehr an dieser Stelle.

Stichwort „Blockchain“

Außerdem schauen wir im kommenden Jahr auch auf eine konkrete digitale Technologie, mit einem Überblick über Blockchain, in dem wir darauf eingehen, was Blockchain überhaupt ist und welche Chancen und Einschränkungen diese Technik beim Einsatz in der Prozessindustrie hat. Auch das Thema Künstliche Intelligenz in der chemischen Industrie werden wir beleuchten. Mit dem Projekt KEEN startet im April ein BMWi gefördertes großes Verbundvorhaben zu diesem Thema.

Vielfältige Aktivitäten gibt es bereits im Bereich der Modularen Produktion, wobei die Modularisierung neben der Hardwareebene auch in der Automatisierungstechnik und Prozesssteuerung umgesetzt werden muss. Die Modularisierung wird ein Fokusthema auf der ACHEMA 2021 sein und daher auch hier einen besonderen Fokus erhalten.

Sensorik als Grundlage für Digitalisierung sind

Jede Intelligenz, ob klassisch oder künstlich, benötigt Sinnesorgane, um die nötigen Informationen für Entscheidungen zu erhalten. Daher ist Sensorik und Messtechnik ein zentrales Element der Digitalisierung das uns über das bereits erwähnte Whitepaper hinaus beschäftigen wird. Der Arbeitskreis Prozessanalytik hat beim Herbstkolloquium gerade 15 Jahre Trialog zwischen Anwendern, Herstellern und Akademia gefeiert und im Mai findet die europäische Konferenz für Prozessanalyse und –steuerung EuroPACT in Kopenhagen statt. Auch die Prozessanalytik wird ein Kongressthema auf der ACHEMA 2021 sein und entsprechend Platz in unserem Blog finden.

Neben der Digitalisierung in Produktionsprozessen spielt auch die Digitalisierung der Forschung und Entwicklung eine immer größere Rolle und natürlich werden wir auch hierzu berichten. Zum Labor im Zeitalter der Digitalisierung findet im März das PRAXISforum Lab of the Future statt. Ebenfalls im nächsten Jahr starten die Initiativen zur nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) in denen Datenmodelle und Infrastruktur zur Dokumentation und Bereitstellung von Forschungsdaten entwickelt werden.

Und was meinen Sie?

Es gibt also viel zu berichten. Wir werden versuchen, einen möglichst umfassenden Überblick in kurzen und fokussierten Beiträgen zu liefern. Mit Sicherheit ist die Aufzählung aber nicht vollständig und es gibt noch eine Vielzahl weiterer Themen und Veranstaltungen zur Digitalisierung in der chemischen Industrie.

Wenn Sie finden, eine wichtige Veranstaltung wurde hier vergessen und sollte Erwähnung finden, teilen Sie uns dies gerne in den Kommentaren mit.

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Die Milch macht’s – mit diesem Werbespruch sind Generationen von Kindern aufgewachsen, ebenso wie mit „dem Besten aus der Milch“. Bei den beworbenen Produkten durfte man allerdings gelegentlich leise zweifeln, was „das Beste aus der Milch“ sein sollte, handelte es sich doch in der Regel eindeutig um Süßigkeiten mit eher fraglichem ernährungsphysiologischem Wert.

Dabei enthält Milch eine ganze Menge ganz besonderer Inhaltsstoffe. So beschäftigen sich Forscher an der Universität Hohenheim mit funktionellen Peptiden, die aus Kasein-Vorstufen zugänglich sind und vielversprechende Eigenschaften mitbringen: Sie wirken blutdrucksenkend, immunmodulierend, oder sie steigern die Verfügbarkeit von Mineralien. Durch Verdauungsenzyme oder mikrobielle Fermentation lassen sie sich freisetzen; bis sie als wertvolle Zusatzstoffe für Lebensmittel zugänglich sind, ist es allerdings noch ein weiterer Weg, denn die Trennung von komplexen Proteingemischen ist alles andere als einfach.

Welche Ansätze die Wissenschaftler zur Fraktionierung von Peptiden verfolgen, stellt J. Hinrichs von der Uni Hohenheim beim Infotag „Neue techno- und biofunktionelle Eigenschaften in Lebensmitteln“ am 29. November 2019 in Frankfurt vor. K. Parschat von Jennewein Biotechnologie beschreibt in ihrem Vortrag die Rolle humaner Oligosaccharide. Mehr

Milch enthält aber nicht nur Proteine und Peptide, sondern auch Oligosaccharide. Diese sind arttypisch und äußerst vielfältig. In menschlicher Muttermilch sind mehr als 150 strukturell unterschiedliche humane Oligosaccharide (HMO) bekannt, die nach Laktose und Fett den drittgrößten Bestandteil von Muttermilch darstellen. Die Milch von Kühen, Schaften oder Ziegen weist 100-1000 mal geringere HMO-Konzentrationen auf – einer der Gründe, warum Stillen immer noch das Beste für Babies und „normale“ Kuhmilch für die ungeeignet ist. In der kindlichen Entwicklung tragen HMO zur Etablierung eines gesunden Darmmikrobioms bei und können das Risiko von bakteriellen und viralen Infektionskrankheiten mindern. Können Kinder nicht gestillt werden, fehlte ihnen dieser Faktor bisher, denn die Herstellung von komplexen Zuckern im industriellen Maßstab war bis vor kurzem nicht möglich. Doch seit kurzem stehen fermentative Verfahren zur Verfügung, mit denen zumindest einige HMO im Multitonnen-Maßstab hergestellt werden können. Erste klinische Studien weisen auf positive Effekte für die Säuglingsernährung hin (hier gibt’s mehr zum Thema).

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Precision Medicine – where Bioinformatics & Medical Informatics meet. That was the general topic for the German Conference on Bioinformatics in Heidelberg from 16-19 September 2019. Participants had a great time – not only with a lot of cutting-edge science, but also some rather unexpected discoveries…

The German Conference on Bioinformatics (GCB) is an annual, international conference devoted to all areas of bioinformatics and meant as a platform for the whole bioinformatics community. Recent meetings attracted a multinational audience with 250 – 300 participants each year.
In 2019, the conference focused on bringing physicians, bioinformatics & medical informatics together and aimed to showcase applications and opportunities beyond.

Everything is ready…

And here we go

Inspiring talks on cutting-edge science…

… lessons learned…

…and yes, cats!

Great atmosphere for the evening lecture

And the FaBI Dissertation Award goes to…

Dr. Kai Dührkop (Friedrich-Schiller-Universität Jena) received the Dissertation Award 2019 of the Bioinformatics Working Group (FaBI). He developed a highly performative, transdisciplinary method for the rapid identification of small molecules from tandem mass spectra. These are an important tool in medical analytics, metabolome research and the search for biomarkers in pharmaceutical research. Its focus are fragmentations of unknown molecules. New algorithms allow for the informatic registration of complex splits in mass spectra. By comparing numerous alternative disintegration pathways, the computer identifies the most plausible structures. Kai Dührkop’s methodology is the basis for analytical software that is now used in laboratories.

A group photo from above

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In the middle of a hot summer, c. 1,500 researchers gathered in Aachen to discuss the latest trends in catalysis at EuropaCat in Aachen. As always, the catalysis community let us be part of the event via Twitter (#EuropaCat2019) – we have collected some of the highlights of the conference.

The claim of EuropaCat 2019 „Catalysis without Borders“ drew some attention in advance:

Science,…

…awards…

…things to see in the exhibition…

…cooperation…

… and fun!

Leaving with a teardrop in the eye after a great event:

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Wie lassen sich Stadtquartiere ressourceneffizienter gestalten? Darüber diskutierten rund 130 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft, Wirtschaft und Kommunen bei der Auftaktveranstaltung der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft – RES:Z“ am 5. und 6. Juni in Frankfurt am Main. Ansätze gibt es viele, von der Begrünung bis zur Erstellung urbaner Gebäude-Material-Kataster und der Erarbeitung von Planungstools. In den kommenden 3 Jahren sollen sie in 11 Projekten weiterentwickelt werden.

Bereits heute lebt mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten. Diese sind für bis zu 70% des weltweiten Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Vor dem Hintergrund der Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie und der Umsetzung der Sustainable Development Goals müssen Städte energie- und rohstoffeffizient sowie klimaangepasst weiter entwickelt werden.

Hier setzt die Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft – RES:Z“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) an. Die 11 inter- und transdisziplinären Projekte entwickeln unter aktiver Einbindung von über 20 Modellkommunen umsetzungsorientierte Konzepte für Wasserwirtschaft, Flächennutzung und Stoffstrommanagement auf der Ebene des Stadtquartiers und erproben diese in der Realität, um so einen Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung von Städten zu leisten.

Zur Auftaktveranstaltung der Fördermaßnahme RES:Z wurden am 5. und 6. Juni 2019 rund 130 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Wissenschaft, Wirtschaft und Kommunen im DECHEMA-Haus in Frankfurt am Main begrüßt. In Form von Tandemvorträgen der meist wissenschaftlichen Projektleitung und Vertreterinnen und Vertretern der involvierten Kommunen wurden die geplanten Arbeiten der Projekte sowie die spezifischen Ziele der jeweiligen Kommunen anschaulich vorgestellt, was zu einem regen und interessierten Austausch beitrug. Diskutiert wurden Aspekte zur Entwicklung von übergreifenden Planungsinstrumenten für die integrative Stadtentwicklung und zur Gestaltung des Straßenraums vor dem Hintergrund unterschiedlicher Anforderungen der Nutzung (z.B. Mobilität, Wasserwirtschaft, Stadtplanung) und den Herausforderungen des Klimawandels (Hitze, Starkregenereignisse). Weitere Themen waren die Bedeutung sowie die ökologischen und sozialen Leistungen von urbanen Grünflächen und Möglichkeiten der Begrünung von Fassaden und Hausdächern für eine Verbesserung des städtischen Mikroklimas. Vorgestellt wurden darüber hinaus Ansätze für eine optimierte Nutzung von Wohnraum, um Flächenversiegelung zu vermeiden und zur Schließung von Stoffkreisläufen durch die Erstellung von Gebäude-Material-Katastern und von Konzepten zur Nutzung von Sekundärrohstoffen aus dem Rückbau von Gebäuden.

Zwei Impulsvorträge zur urbanen Transformation sowie – als Blick über den Tellerrand – zu Städten der Zukunft in Asien mit Beispielen zu aktuellen Entwicklungen in Korea. ergänztentenn die Präsentationen der RES:Z-Projekte. z

Die Veranstaltung wurde von der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. organisiert, die das wissenschaftliche Querschnittsprojekt ReQ+ zur Fördermaßnahme RES:Z koordiniert. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und StadtLand GmbH. Aufgaben von ReQ+ ist die inhaltliche Vernetzung der RES:Z-Projekte und die Unterstützung des Ergebnistransfers in die kommunale Praxis.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.bmbf.ressourceneffiziente-stadtquartiere.de 

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Welche Rolle könnte Methanol als Energieträger und Plattformchemikalie der Zukunft spielen? Diese Frage hat Hans Jürgen Wernicke durch seine gesamte Berufslaufbahn begleitet – und auch beim DECHEMA-Kolloquium anlässlich seines 70. Geburtstages ist der Blick nicht nur auf den aktuellen Stand der Technik, gerichtet, sondern darüber hinaus auf die Einsatzmöglichkeiten von Methanol in der nahen und mittleren Zukunft. Wir sprachen mit dem früheren DECHEMA-Vorsitzenden darüber, was ihn an Methanol so fasziniert:

Dr. Hans Jürgen Wernicke

Herr Dr. Wernicke, welche Rolle hat Methanol in Ihrer Laufbahn gespielt?
Methanol hat mich über meine gesamte Berufslaufbahn begleitet. Bei Linde haben wir einen Reaktor entwickelt, der unter anderem für die stark exotherme Synthese von Methanol dient, bei der Süd-Chemie (heute Clariant) waren und sind  Methanolkatalysatoren ein wichtiger Teil des Geschäfts und wurden kontinuierlich verbessert  – ich war also immer in der einen oder anderen Weise mit Methanol befasst.

Wo sehen Sie die größten Potenziale für den Einsatz von Methanol in der nahen und in der mittleren Zukunft?
Das größte Potenzial sehe ich darin, CO2 zu recyceln und mit „grünem“ Elektrolysewasserstoff zu nachhaltigem Methanol umzusetzen. Methanol lässt sich vielseitig einsetzen, z.B. als hochoktaniger  Kraftstoffzusatz oder weiterverarbeitet  als Benzin oder Diesel. Über die in großem Maßstab realisierte  Herstellung von Olefinen aus Methanol lässt sich  die gesamte petrochemische Prozesskette  abbilden. Methanol könnte so wesentlich zum  Ersatz fossiler Rohstoffe beitragen. Die Handhabung von Methanol ist Stand der Technik, es  ist ein flüssiger Energieträger, für den, anders als z.B. bei  Wasserstoff oder den Ladestationen für Batterien, nicht in eine neue Infrastruktur investiert werden müsste. .

Warum werden diese Potenziale bisher nicht genutzt – welche technischen oder sonstigen Hürden stehen dem im Wege?
Da gibt es mehrere Gründe: Der zur CO2-Hydrierung benötigte Elektrolysewasserstoff –  insbesondere  aus regenerativen Energiequellen –  ist noch zu teuer. CO2 ist dagegen leicht abzutrennen und in großer Menge verfügbar, vor allem aus industriellen Quellen. Die zweite Hürde ist die generelle  Akzeptanz: Wenn die Öffentlichkeit überhaupt etwas über Methanol hört, dann als Giftstoff im Zusammenhang mit Schwarzbrennerei. Deshalb bestehen dort Vorbehalte. Technische Hürden sehe ich eigentlich nicht. In Island läuft seit 2012 eine Anlage, die „grünes“ Methanol aus CO2 und Wasserstoff produziert, der über Geothermie gewonnen wird. Seit 2015 produziert die Anlage 4000 t Methanol im Jahr, das als Benzinzusatz genutzt wird. Darüber hinaus laufen vielfältige Projekte im Rahmen von Kopernikus oder Carbon2Chem, um die technische Skalierbarkeit nachzuweisen und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Mehr zum Thema Methanol, seiner Herstellung und seinen Einsatzmöglichkeiten beim DECHEMA-Kolloquium am 4. Juli 2019 – melden Sie sich jetzt kostenfrei an!

Hans Jürgen Wernicke wurde 1949 geboren und trat nach dem Studium der Chemie und der Promotion an der Christian-Albrechts-Universität Kiel zunächst in die Linde Group ein, für die er acht Jahre lang in München und Südafrika tätig war. 1985 wechselte er zum Süd-Chemie Konzern, für den er unter anderem als Projektleiter in Südafrika und als Geschäftsbereichsleiter in den USA und in Deutschland arbeitete. Im Jahr 1997 wurde er in den Vorstand berufen und war von 2007 bis 2011 stellvertretender Vorstandsvorsitzender der Süd-Chemie AG. Seit 2011 ist Hans Jürgen Wernicke beratend tätig und u.a. in mehreren Aufsichtsräten vertreten. Neben zahlreichen ehrenamtlichen Aufgaben war er von 2009 bis 2012 Vorsitzender des DECHEMA e.V. und ist aktuell Vorsitzender des Stiftungsrates des DECHEMA-Forschungsinstituts. 2016 verlieh die DECHEMA ihm die Ehrenmitgliedschaft.

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