Grüne Klebstoffe aus Molke

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2022

Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, bei dem aus Molke wertvolles Ethylacetat in hoher Reinheit gewonnen wird. Dieses kann beispielsweise für die Herstellung umweltfreundlicher Klebstoffe verwendet werden und ersetzt damit das herkömmliche Ethylacetat aus fossilen Rohstoffen. Auch die aufwendige Entsorgung der bei der Molke-Verarbeitung entstehenden Melasse wird damit überflüssig.

In der Milchindustrie fallen täglich große Mengen Molke als Nebenprodukt an. Allein in Deutschland sind das Jahr für Jahr 12,6 Millionen Tonnen. So entstehen bei der Herstellung eines Kilogramms Käse beispielsweise neun Kilogramm Molke. Sie wird teilweise weiterverarbeitet, etwa zu Trinkmolke mit Fruchtzusatz oder anderen Mischgetränken. Trennt man die in der Molke enthaltene Laktose sowie die Proteine ab, lassen sich diese ebenfalls nutzen, etwa als Rohstoff in der Pharmazie oder auch in Babynahrung. Doch nach Abtrennung von Proteinen und Laktose bleibt eine Melasse zurück. Deren Entsorgung ist aufgrund des relativ hohen Salzgehalts äußerst aufwendig und teuer.

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Hermsdorf haben nun gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden ein Verfahren entwickelt, bei dem aus der Melasse wertvolles Ethylacetat (Essigsäureethylester) – ein farbloses Lösungsmittel – gewonnen wird. Dieses kommt vielfach bei der Herstellung von Klebstoffen, Druckfarben oder Lacken zum Einsatz und kann auch zur Reinigung von Oberflächen eingesetzt werden.

Bisher wird Ethylacetat aus Erdgas und Erdölderivaten erzeugt. Das Ethylacetat aus der Molke ist dagegen ein Produkt, das wegen seiner leichten mikrobiellen Abbaubarkeit den umweltschädlichen Lösungsmitteln deutlich überlegen und zudem unabhängig von den Preisschwankungen bei Erdgas und Erdöl ist. Ein weiterer Vorteil: Das von der TU Dresden und dem Fraunhofer IKTS entwickelte Verfahren macht die aufwendige Entsorgung der Melasse überflüssig. Das abgeschiedene Ethylacetat bietet einen hohen Reinheitsgrad von 97,5 Prozent und lässt sich damit ohne weitere Bearbeitungsschritte sofort als Rohstoff nutzen.

Fermentieren der Melasse und Trennung in der Membran

Der Trennungsprozess ist grundsätzlich nicht kompliziert. Im ersten Schritt wird die Melasse im Bioreaktor fermentiert. Der Reaktor wird dabei belüftet, um aerobe Bedingungen einzustellen. Es entsteht ein Gas-Dampf-Gemisch, das als Bestandteil Ethylacetat enthält. Dieses wird dann durch spezielle Kompositmembranen abgetrennt. »Als Abfallprodukt bleibt ein Gas-Wasserdampf-Gemisch zurück, das problemlos in die Umwelt abgegeben werden kann«, sagt Dr. Marcus Weyd, Leiter der Gruppe Membranverfahrenstechnik und Modellierung.

Bei der Entwicklung der Membran konnten die Forschenden des Fraunhofer IKTS ihre jahrzehntelange Expertise im Bereich Materialien, insbesondere der Membrantechnologien einbringen. Bei der für das Verfahren neu entwickelten Kompositmembran werden Polymere mit anorganischen Partikeln auf Basis von Zeolith (Silikalith-1) kombiniert. »Als Polymer verwenden wir flüssigen Siliconkautschuk, der mit Zeolith vermischt und anschließend auf ein stützendes Polyestervlies aufgebracht und ausgehärtet wird. Die Membran ist insgesamt nur 10 µm dick, die Porengröße liegt bei 0,5 nm«, erläutert Dr. Thomas Hoyer, Spezialist für den Bereich Zeolithmembranen und Nanokomposite.

Auch wenn die Membran mit Poren ausgestattet ist, verläuft der eigentliche Trennvorgang nicht wie bei einem Sieb. Die Trennwirkung entsteht vielmehr durch eine chemische Wechselwirkung zwischen Zeolith und Ethylacetat. »Die Moleküle werden durch den Zeolith adsorbiert, gleiten an den Porenoberflächen entlang und diffundieren so durch die Kompositmembran«, erklärt Hoyer. Es ist auch nicht nötig, hohen Druck anzulegen, um das Ethylacetat gewissermaßen durch die Membran zu pressen. »Es genügt eine gewisse Partialdruckdifferenz, um die chemische Wechselwirkung und die anschließende Diffusion zu initiieren.«

Verwertungsmöglichkeiten für Melasse gesucht

Entstanden ist die Idee aus einer Initiative der Technischen Universität Dresden, die nach Verwertungsmöglichkeiten für die Melasse suchte und sich dabei an das Fraunhofer IKTS wandte. Das Team der TU beschäftigte sich mit dem Fermentationsprozess, das Fraunhofer-Team kümmerte sich um die Entwicklung und Optimierung der Membrantechnik. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) hat das Vorhaben im Rahmen Projektes AIF 20311 BR unterstützt.

»Uns ist es gelungen, mit einem relativ einfachen und kostengünstigen Verfahren eine hochentwickelte Membran mit extrem kleinen Poren herzustellen«, fasst Weyd zusammen. Ein praktischer Vorteil für Industrieunternehmen liegt in dem nur einstufigen Abtrennprozess, für den dementsprechend nur wenige Membran- und Steuerungsmodule benötigt werden. Wenn die Prozessparameter bei Fermentation und Trennung richtig eingestellt sind, läuft der Trennvorgang von allein und stabil.

Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Größe der Membranmodule skalieren, um so die Technologie für den industriellen Einsatz zur Verfügung stellen zu können. Die Technologie ist nicht nur für die Gewinnung von Ethylacetat aus Melasse geeignet. Sie könnte überall da zum Einsatz kommen, wo es darum geht, Gasgemische zu separieren oder leichtflüchtige Komponenten wie Kohlenwasserstoffe abzutrennen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2022

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Technology Entrepreneurship: Lab to Market
Karim Lakhani (Harvard University) et al.
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 10-20 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Die Elektronen-Zeitlupe: Ionenphysik auf Femtosekundenskala

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Presseaussendung der TU Wien vom 22.08.2022

Wenn Ionen ein Material durchdringen, laufen hochkomplexe Prozesse ab – so schnell, dass man sie bisher kaum analysieren konnte. Aber durch ausgeklügelte Messungen gelang das nun.

Wie reagieren verschiedene Materialien auf den Einschlag von Ionen? Das ist eine Frage, die in vielen Forschungsbereichen eine wichtige Rolle spielt – etwa bei der Kernfusionsforschung, wenn die Wände des Fusionsreaktors von energiereichen Ionen bombardiert werden, aber auch in der Halbleitertechnik, wenn man Halbleiter mit Ionenstrahlen beschießt um winzige Strukturen herzustellen.

Das Resultat eines Ioneneinschlags auf einem Material ist nachträglich leicht zu untersuchen. Schwierig ist es aber, den zeitlichen Ablauf solcher Prozesse zu verstehen. An der TU Wien gelang es nun, auf einer Zeitskala von einer Femtosekunde zu analysieren, was mit den einzelnen beteiligten Teilchen passiert, wenn ein Ion Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid durchdringt. Entscheidend war dabei eine sorgfältige Analyse der Elektronen, die dabei emittiert werden. Aus ihnen kann man den zeitlichen Ablauf des Prozesses rekonstruieren – so wird die Messung gewissermaßen zur „Elektronen-Zeitlupenaufnahme“. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert und sogar als „Editors‘ Suggestion“ auserkoren.

Zwanzig- bis vierzigfach geladene Teilchen

In der Forschungsgruppe von Prof. Richard Wilhelm am Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet man mit hochgeladenen Ionen. Xenon-Atomen, die im neutralen Zustand 54 Elektronen haben, werden zwischen 20 und 40 Elektronen entrissen, die stark positiv geladenen Xenon-Ionen, die übrigbleiben, werden dann auf eine dünne Materialschicht geschossen.

„Besonders interessieren wir uns für die Wechselwirkung dieser Ionen mit dem Material Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht“, sagt Anna Niggas, die Erstautorin des aktuellen Papers ist. „Wir wussten nämlich schon aus unseren früheren Experimenten, dass Graphen ganz besonders interessante Eigenschaften hat: Der Elektronentransport in Graphen ist extrem schnell.“

Die Teilchen reagieren so schnell, dass man die Vorgänge nicht direkt beobachten kann. Doch es gibt spezielle Tricks, die man anwenden kann: „Bei solchen Prozessen wird meist auch eine große Anzahl von Elektronen emittiert“, erklärt Anna Niggas. „Wir konnten die Anzahl und die Energie dieser Elektronen sehr genau messen, die Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen vergleichen, die unsere Ko-Autoren von der Universität Kiel beisteuerten, und auf diese Weise konnten wir auf Femtosekunden-Skala entschlüsseln, was hier genau passiert.“

Femtosekunden-Reise durch das Graphen

Zunächst nähert sich das hochgeladene Ion der dünnen Materialschicht. Durch seine positive Ladung erzeugt es ein elektrisches Feld und beeinflusst dadurch die Elektronen des Materials – schon kurz vor dem Aufprall bewegen sich Elektronen des Materials in Richtung der Einschlagstelle. Irgendwann wird das elektrische Feld so stark, dass Elektronen aus dem Material herausgerissen und vom hochgeladenen Ion eingefangen werden. Unmittelbar darauf schlägt das Ion dann in der Oberfläche ein und durchdringt das Material. Dabei kommt es zu einer komplizierten Interaktion, das Ion überträgt in kurzer Zeit viel Energie auf das Material, dabei werden Elektronen fortgeschossen.

Wenn im Material Elektronen fehlen, bleibt dort positive Ladung zurück. Das wird allerdings rasch durch nachrückende Elektronen aus anderen Bereichen des Materials ausgeglichen. Bei Graphen ist dieser Prozess extrem schnell, innerhalb des Materials entstehen auf atomarer Skala kurzfristig starke Ströme. In Molybdändisulfid ist dieser Prozess etwas langsamer. In beiden Fällen beeinflusst die Verteilung der Elektronen im Material aber ihrerseits wieder die Elektronen, die schon zuvor aus dem Material herausgelöst wurden – und genau dadurch können sie dann, wenn man sie sorgfältig detektiert, Auskunft über die zeitliche Struktur des Einschlags liefern. Nur schnelle Elektronen können das Material verlassen, langsamere Elektronen kehren um, werden wieder eingefangen und landen nicht im Elektronendetektor.

Das Ion braucht nur rund eine Femtosekunde, um eine Graphen-Schicht zu durchdringen. Prozesse auf derart kurzen Zeitskalen konnte man bisher schon mit ultrakurzen Laserpulsen vermessen – doch die würden in diesem Fall viel Energie im Material deponieren und den Prozess völlig verändern.

„Wir haben mit unserer Methode einen Zugang gefunden, der ganz fundamentale neue Einblicke erlaubt“, sagt Richard Wilhelm, Leiter eines FWF START Projektes an der TU Wien. „Die Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie Materie auf sehr kurze und sehr intensive Strahlungseinwirkung reagiert – nicht nur auf Ionen, sondern letztlich auch auf Elektronen oder Licht.“

Die beschriebene Forschung wurde durch das „Innovative Projekte“ Programm und das Doktoratskolleg TU-D der TU Wien sowie den FWF gefördert. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Niggas et al., Ion-induced surface charge dynamics in freestanding monolayers of graphene and MoS2 probed by the emission of electrons, PRL 129, 086802, 2022.

Externer Link: www.tuwien.at

Wenn glatten Muskelzellen die Kraft fehlt

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 18.08.2022

Team der Universität Tübingen entdeckt an Mäusen, wie es zu Missbildungen der Blutgefäße kommen kann – Neue Einblicke in bestimmte Netzhauterkrankungen des Auges

Das Herz pumpt Blut durch das Gefäßsystem und versorgt die Zellen mit Sauerstoff und Energie. Die Feinregulierung des Blutflusses übernehmen glatte Muskelzellen in den Gefäßen. Wenn sie ihre Aufgabe nicht erfüllen können, kann es zu Fehlbildungen und Erweiterungen des Blutgefäßsystems kommen. Das hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Alfred Nordheim vom Interfakultären Institut für Zellbiologie der Universität Tübingen gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Tübingen, Münster und dem schwedischen Uppsala im Tierversuch herausgefunden. Die neuen Studienergebnisse, die in der Fachzeitschrift Circulation Research veröffentlicht wurden, ließen sich experimentell auf ein Modell für eine bestimmte Netzhauterkrankung des Auges bei Frühgeborenen übertragen. Hier liefern die Studienergebnisse einen potenziellen Ansatz zu neuen Behandlungsmöglichkeiten.

In den arteriellen und venösen Blutgefäßen regeln glatte Muskelzellen durch gezieltes Zusammenziehen und Entspannen, wo mehr und wo weniger Blut hinfließt. Sie geben dem Gefäßnetzwerk außerdem die nötige Festigkeit, um dem Blutdruck standzuhalten. Im Experiment haben Alfred Nordheim und sein Team in Mäusen das Gen für den sogenannten Serum-Response-Faktor (SRF) inaktiviert, der das Kontraktionsvermögen der Zellen maßgeblich reguliert. „Das führte zu einer deutlichen Erweiterung der Blutgefäße und zu Gefäßmissbildungen“, berichtete Nordheim.

Verminderte Durchblutung

Bei den Missbildungen handele es sich um Direktverbindungen zwischen Arterien und Venen, erklärte der Forscher. „Die Arterien nehmen eine Abkürzung zu den Venen und umgehen dabei kleinste Mikrogefäße. Ähnliche Missbildungen sind auch bei bestimmten seltenen Blutgefäßkrankheiten beim Menschen bekannt. Unser Team konnte zeigen, dass durch solche Abkürzungen das umliegende Gewebe nur noch vermindert durchblutet wird.“ Durch die fehlende Festigkeit der glatten Muskelzellen sei es sogar teilweise zu Brüchen in den Gefäßen gekommen.

Gedankensprung zu einer weiteren Erkrankung

„Das neu gewonnene Wissen brachte uns außerdem auf die Spur einer ganz anderen Erkrankung, der sogenannten ischämischen Retinopathie. Das ist eine Netzhauterkrankung des Auges bei Frühgeborenen, die im schlimmsten Fall zur Erblindung führen kann“, berichtet der Erstautor der Studie Dr. Michael Orlich von der Universität Uppsala. Durch eine Überreaktion beim Wachstum der Blutgefäße komme es dabei zu krankhaften Veränderungen bestimmter Zellen, der Perizyten. „Die krankhaften Perizyten produzieren dabei unter anderem, ähnlich wie die glatten Muskelzellen, kontraktile Proteine“, erklärt Orlich. „Wir hatten nun erwartet, dass der Serum-Response-Faktor auch hier eine wichtige Rolle spielt. Außerdem nahmen wir anr, dass sich die Symptome der Netzhauterkrankung bessern, wenn die Überreaktion der Perizyten gedämpft wird.“

Seine Annahmen überprüfte das Forschungsteam experimentell an Mäusen, bei denen eine Erkrankung vergleichbar mit der ischämischen Retinopathie ausgelöst wurde. „Als wir den Serum-Response-Faktor in den Perizyten dieser Mäuse gezielt ausschalteten, nahmen die Krankheitssymptome ab“, fasst Orlich die Ergebnisse zusammen. So habe man einen potenziellen Ansatz für neue Behandlungsmöglichkeiten der ischämischen Retinopathien beim Menschen gewonnen.

Originalpublikation:
Michael M. Orlich, Rodrigo Diéguez-Hurtado, Regine Muehlfriedel, Vithiyanjali Sothilingam, Hartwig Wolburg, Cansu Ebru Oender, Pascal Woelffing, Christer Betsholtz, Konstantin Gaengel, Mathias Seeliger, Ralf H. Adams, and Alfred Nordheim: Mural Cell SRF Controls Pericyte Migration, Vessel Patterning and Blood Flow. Circulation Research

Externer Link: www.uni-tuebingen.de