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Presse-Information

Press release ¤ Information de presse

26.09.2011

Schnell studiert und gut geforscht: DECHEMA-Studentenpreise für fünf Absolventen

Fünf Absolventen der technischen Chemie, Verfahrenstechnik und Biotechnologie werden am 25. September 2011 in Berlin mit den diesjährigen DECHEMA-Studentenpreisen ausgezeichnet. Damit werden hervorragende fachliche Leistungen bei kurzer Studiendauer gewürdigt. Die Themen der Preisträger sind vielfältig: In der technischen Chemie legte Björn Reinhard an der Universität Leipzig mit der Herstellung neuer poröser Sintermaterialien die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Materialklasse für Katalyse, Sensorik oder biologische Prozesse. Claudia Hoffmann untersuchte an der TU Dresden, wie sich enantioselektive Katalysatoren verbessern lassen. Die Erzeugung einheitlicher Partikel in Sprühprozessen war Gegenstand der Arbeit von Jan-Hendrik Redmann an der Universität Hamburg. Im Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik entwickelte Anna Christina Schuch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zur Charakterisierung des Strömungszustands nach Lochblenden. Ilka Wagner testete in ihrer Abschlussarbeit im Fach Biotechnologie an der TU Berlin einen segmentierten Multiorgan-Chip-Reaktor, der später einmal bei Arzneimitteltests zum Einsatz kommen könnte.

Die Preisverleihung findet im Rahmen der Eröffnung des 8. European Congress of Chemical Engineering und 1. European Congress of Applied Biotechnology am 25. September 2011 in Berlin statt. Die DECHEMA-Studentenpreise werden seit 1994 jährlich vergeben und sollen zur Effizienzsteigerung des deutschen Hochschulstudiums beitragen.

Foto der Preisträger

 

Vorschläge für die Studentenpreise 2012 können bis Mitte Januar 2012 bei der DECHEMA eingereicht werden. Vorschlagsberechtigt sind die Hochschullehrer der genannten Fachrichtungen.

 

 

DECHEMA-Studentenpreise 2011

Kurzfassungen der Preisträgerarbeiten

 

Herstellung neuartiger, hierarchisch strukturierter Sintermaterialien auf der Basis phasengetrennter Alkaliborosilikatgläser

Dipl.-Chem. Björn Reinhardt, Universität Leipzig (Fachgebiet Technische Chemie)

 

Die Entwicklung poröser, hierarchisch strukturierter Materialien steht seit den letzten Jahren im besonderen Fokus der Wissenschaft. Die bekanntesten Vertreter auf Silika-Basis mit einer bimodalen Porenstruktur bilden dabei die Sol-Gel-Materialien. Die erreichbaren Porengrößen beider Porensysteme sind jedoch auf etwa 50 nm bzw. 20 µm limitiert. Um hierarchisch strukturierte Materialien aber auch in anderen Anwendungen wie etwa mikrobiologischen Prozessen nutzbar zu machen, besteht daher das Ziel, Systeme herzustellen, deren Porenweiten über diesen Größenbereich hinaus individuell eingestellt werden können.

Im Rahmen seiner Arbeit stellte Björn Reinhardt hierarchisch strukturierte Materialien durch die Kombination von Sinterung und anschließender Phasenseparation eines Alkaliborosilikatglases her. Das Herstellungsverfahren basiert auf einem Füllstoffprinzip, welches anorganische, lösliche Salze definierter Korngröße als porenbildende Mittel verwendet. Dazu wird Glaspulver unter Zugabe von Bindemitteln mit einem Salz zu einem rieselfähigen Granulat vermischt, geformt und getrocknet. Im Anschluss wird der Grünling versintert. In einem weiteren Temperungsschritt wird schließlich die Phasenseparation des Glases initiiert. Das Auswaschen des Salzes sowie eine saure Extraktion des phasenseparierten Glases führt letztendlich zu hierarchisch strukturierten, hochporösen Materialien mit einer variablen geometrischen Form. Bei der Entfernung des Salzes konnten Porengrößen zwischen 20 µm und 100 µm - entsprechend der verwendeten Ausgangskorngröße - erreicht werden. Die Porengrößen sind somit über den Bereich der klassischen Sol-Gel-Materialien hinaus erweitert worden. Eine anschließende saure Extraktion führte zu einem zusätzlichen Mesoporensystem innerhalb des Glases mit Porengrößen zwischen 2 nm und 3 nm.

Bjorn Reihhardt legte mit seiner Arbeit die Grundlagen zur Entwicklung einer neuen Materialklasse, die durch ihre individuell einstellbaren Porengrößen sowie einer flexiblen Formgebung ein breites Anwendungsfeld in der Katalyse, der Sensorik und in biologischen Prozessen finden wird.

 

 

 

Aluminium- und galliumhaltige Pt/Silicatkatalysatoren für die enantioselektive Hydrierung von Ethylpyruvat

M.Sc. Claudia Hoffmann, TU Dresden (Fachgebiet Technische Chemie)

 

Enantioselektive Reaktionen sind von hoher Relevanz für die Gewinnung von enantiomeren¬reinen Produkten in der Feinchemikalien- und Arzneimittelherstellung. Eine Methode dafür ist die Enantio¬differenzierung. Sie nutzt die möglichen unterschiedlichen Wirkungs¬spektren der Enantiomere in biologischen Systemen. Heterogen katalysiert kann die enantioselektive Hydrierung von z.B. α-Ketosäureestern mit Hilfe eines Platin-Chinaalkaloid-Systems stattfinden.

Claudia Hoffmann untersuchte in ihrer Masterarbeit die Art der Einflüsse der Trägeracidität und des Gehaltes von Aluminium oder Gallium auf die Enantiodifferenzierung bei der Ethylpyruvathydrierung mit (-)-Cinchonidin als Modifier zu (R)-Ethyllactat. Sie modifizierte silicatische Materialien mit trivalenten Elementen wie Aluminium oder Gallium, um acide Träger zu erhalten. Die Acidität wurde mittels Temperatur¬programmierter Ammoniakdesorption (TPAD) untersucht. Für Aluminium wurden außerdem NMR-Messungen durchgeführt. Damit konnte der vollständige Aluminiumeinbau in tetraedrische oder pentaedrische Koordinationsumgebungen und somit die Integration in das silicatische Netzwerk nachgewiesen werden. Das Vorhanden¬sein von oktaedrisch koordiniertem Aluminium konnte ausgeschlossen werden.

Die synthetisierten aciden Träger wurden anschließend mit Platin beladen. Beim Einsatz dieser Katalysatorproben in der enantioselektiven Hydrierung von Ethylpyruvat konnten Enantiomeren¬überschüsse von bis zu 94,1 ee% erreicht werden. Die in der Literatur gezeigte Korrelation von Träger¬acidität und erzielbarem Enantiomeren¬überschuss konnte Frau Hoffman in ihrer Arbeit nicht bestätigten. Hier zeigte sich ein positiv linearer Zusammenhang von Aluminiumgehalt und erreichter Enantioselektivität.

 

 

Untersuchungen zur Erzeugung einheitlicher Partikel in Sprühprozessen

Dipl.-Chem. Jan-Hendrik Redmann, Universität Hamburg (Fachgebiet Technische Chemie)

 

Sprühprozesse haben in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eine große Bedeutung. Entscheidende Voraussetzung für die schmale Größenverteilung der entstehenden Partikel sind einerseits die Erzeugung eng verteilter Tropfen andererseits muss die Tropfenkoaleszenz während des freien Falles unterdrückt werden.

Ziel der Arbeit von Jan-Hendrik Redmann war, nach einer Möglichkeit zu suchen, um nahezu einheitliche Partikel herzustellen. Zur Beobachtung der Tropfenerzeugung und der Tropfengröße setzte er eine Hochgeschwindigkeits-Kamera ein. Außerdem entwarf, baute und erprobte er einen Abzug zur sicheren Verwendung von Hochspannung bis 13 kV, um damit durch die gleichpolige Aufladung der Tropfen die Tropfenkoaleszenz zu unterdrücken.

Mit einer Schwingblende konnten nahezu einheitliche Tropfen generiert werden. Zum Beispiel wurde die mittlere Tropfengröße von 200.2 ± 0.8 µm nach dem Austreten aus einer 99 µm großen Lochblende gemessen, die mit einer Frequenz von 9.22 kHz angeregt wurde. Dies entspricht einer relativen Standardabweichung von 0.4 %. Durch die Variation des Volumenstromes war es möglich den mittleren Tropfendurchmessern in einem Bereich von ± 15 µm zu variieren, ohne dass die Tropfengrößenverteilung wesentlich breiter wurde. Allerdings konnte nach der Kohärenzlänge Tropfenkoaleszenz beobachtet werden, wodurch sich die Größenverteilung signifikant verbreiterte.

Um diesen Effekt zu unterdrücken, wurden die Partikel aufgeladen. Im freien Fall der Tropfen konnte Herr Redmann zeigen, dass die Tropfenkoaleszenz durch die gegenseitige Abstoßung geladener Tropfen wirkungsvoll unterdrückt wird. Weiterhin untersuchte er sowohl die Erzeugung geladener Tropfen durch unterschiedliche elektrostatische Sprüharten, als auch das Verhalten der geladenen Tropfen in elektrischen Feldern. Dabei konnte er die maximale Aufladungsspannung der Tropfen, bei der keine Verschmutzung der Elektroden auftrat, ermitteln.

 

 

Untersuchung von Möglichkeiten zur Charakterisierung des Strömungszustands nach Lochblenden

Dipl.-Ing. Anna Christina Schuch, Karlsruher Institut für Technologie - KIT (Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik / Chemieingenieurwesen

 

Zur Auslegung technischer Prozesse ist es wichtig den Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Mikrostruktur des Produktes zu verstehen. Beim Hochdruckhomogenisieren mit Lochblenden ist das entscheidende, die Mikrostruktur bestimmende Merkmal, die Tropfengrößenverteilung der Emulsion. Ob es während des Prozesses zur Tropfenzerkleinerung kommt, wird unter anderem durch die Kräfte, die auf die Tropfen übertragen werden, beeinflusst. Diese Kräfte wiederum hängen von der vorliegenden Strömungsform im Emulgierprozess ab. Ziel der Arbeit von Anna Christina Schuch war es eine geeignete Messmethode zu finden, mit der eine Charakterisierung der Strömung im Prozess realisierbar ist und den Zusammenhang zwischen Strömungsform und Emulgierergebnis zu untersuchen.

Zunächst überprüfte sie die Eignung konventioneller Messmethoden zur Strömungscharakterisierung im Emulgierprozess. Aufgrund des opaken Mediums, der geringen Abmessungen (Rohrdurchmesser < 1 µm) und der hohen Geschwindigkeiten im interessierenden Strömungsbereich konnte jedoch keine dieser Methoden angewendet werden. Mit dem Durchflusskoeffizienten gelang es Anna Schuch eine indirekte Möglichkeit zu finden, die Strömungszustände nach der Lochblende direkt während des Prozesses zu charakterisieren. Diese Kenngröße besitzt, aufgetragen über der Wurzel der Reynoldszahl in der Blende, einen typischen Verlauf anhand dessen Rückschlüsse auf die vorliegende Strömungsform möglich sind. Frau Schuch baute zur Messung der nötigen Prozessparameter eine bestehende Emulgieranlage um, an der im Anschluss Emulgierversuche durchgeführt wurden.

Bei der Untersuchung der resultierenden Tropfengrößenverteilungen beim Emulgieren in verschiedenen Strömungszuständen stellte sie fest, dass die Strömungsform das Emulgierergebnis entscheidend beeinflusst. Außerdem konnte sie beobachten, dass eine Erhöhung des Energieeintrags bei gleichbleibender Strömungsform (Transition) keine Veränderung der Tropfengrößen bewirkt. Dadurch konnte Anna Schuch zeigen, dass die Strömungsform eine wichtige Größe zur Auslegung des Hochdruckhomogenisierprozesses darstellt und dass die angewandte Methode zur Charakterisierung geeignet ist.

 

 

Generierung von Mikrogewebestrukturen in einem segmentierten Multiorgan-Chip-Reaktor

Dipl.-Ing. Ilka Wagner, TU Berlin (Fachgebiet Biotechnologie)

 

Zur korrekten Einschätzung von Arzneimittelrisiken fehlen bis heute adäquate Methoden zur Vorhersage komplexer Wechselwirkungen. Bisherige Arzneimitteltests in der Zellkultur und im Tiermodell zur Evaluierung und Risikobewertung reichen nicht aus, wie die Arzneimittel TGN 1412 und Vioxx® beweisen. Der Weg eines Medikaments von der Entwicklung bis zu seiner Vermarktung ist dadurch lang, teuer und ineffizient (FDA, 2004).

Der von Ilka Wagner in ihrer Arbeit getestete Multiorgan-Chip-Reaktor bietet diese Möglichkeiten und wurde zur Anwendung für die prädiktive Substanztestung hin evaluiert. Zu diesem Zweck bestückte sie den Multiorgan-Chip mit Matrices und primären humanen Zellen und evaluierte ein Medium, das die verschiedenen, angewandten Zelltypen in dem Reaktor gemeinsam versorgen kann. Der Einsatz der einzelnen humanen Zelltypen in 3D Kulturen wurde ebenfalls evaluiert. Der erste Prototyp des "Multi-Organ-Chips" konnte erfolgreich auf Sterilität, Handhabung, Biokompatibilität sowie auf die Matrixanwendung und die Langzeitüberlebensrate von humanen Zellen getestet werden.

Der Multiorgan-Chip ist somit zur weiteren Entwicklung der Beladung und Versorgung von humanen Leber-, Haut- und Haar- Mikroorganoiden in einer organtypischen Mikroumgebung geeignet. Dabei ist es jedoch notwendig, den Multiorgan-Chip so zu optimieren, dass die verbundenen Einzelorganoide in einem vaskularisierten Mikrosystem die Forderungen der heute noch im Tier durchgeführten ADMET (Absorption, Distribution, Metabolismus, Exkretion und Toxizität) - Programme erfüllen. Damit wäre der Multiorgan-Chipreaktor das erste menschliche Testmodell, das die ADMET-Endpunkte in ein präklinisches, humanphysiologisch angenähertes System zusammenführt und zusätzlich auf Besonderheiten wie das Alter, Geschlecht und auf Erbkrankheiten bestimmter Zielgruppen eingehen könnte.

 

 

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