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11.09.2012

DECHEMA-Studentenpreise für hervorragende Absolventen aus den Bereichen Technische Chemie, Verfahrenstechnik und Biotechnologie

Sieben Absolventen aus den Bereichen Technische Chemie, Verfahrenstechnik und Biotechnologie werden am 11. September 2012 in Karlsruhe mit den DECHEMA-Studentenpreisen 2012 ausgezeichnet. Mit dieser Auszeichnung werden ihre hervorragenden Leistungen in den Abschlussarbeiten und die kurze Studiendauer gewürdigt.

Im Fachgebiet Chemische Technik werden Dipl.-Ing. Stefan Rudi, TU Berlin, und Dipl.-Chem. Verena Krug, Universität Stuttgart, ausgezeichnet. Herr Rudi untersuchte in seiner Arbeit die Eignung von bimetallischen Nanopartikeln als Ersatz für die hochpreisigen Platin-Katalysatoren. Frau Krug beschäftigte sich mit dem Einsatz von metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) bei der Hydrierung von Olefinen. Solche Hydrierungen werden in der Industrie beispielsweise bei der Entschwefelung von Rohöl oder der Herstellung von Feinchemikalien durchgeführt.

Im Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik/Chemieingenieurwesen beschäftigte sich Dipl.-Ing. Thomas Koller, Universität Erlangen-Nürnberg, in seiner Arbeit mit einer neuartigen Gruppe von ionischen Flüssigkeiten, denen ein großes Potential als Lösungsmittel zur selektiven Gasabsorption von z.B. klimaschädlichem Kohlendioxid aus Industrieabgasen zugesprochen wird und entwickelte Simulationsmodelle, die Aussagen über Transport- und thermophysikalische Eigenschaften dieser Stoffklassen zulassen. Dipl.-Ing. Lisa Hopf, Universität Erlangen-Nürnberg, untersuchte Ionische Flüssigkeiten, die in einem Lösungsmittelgemisch vorliegen und entwickelte ein System zur Vermessung von Gemischen aus Ionischer Flüssigkeit und gelöstem Gas. Dipl.-Ing. Dirk Sachsenheimer, Karlsruher Institut für Technologie, gelang in seiner Arbeit die Visualisierung lateraler Stoffströme während der Trocknung dünner Polymerfilme.

Im Fachgebiet Biotechnologie führte Dipl.-Biochem. Fabian Steffen-Munsberg, Universität Greifswald, Untersuchungen zur Erzeugung einheitlicher Partikel in Sprühprozessen durch. Damit können Wirkstoffe für die chemische und pharmazeutische Industrie in hoher Enantioselektivität durch enzymatische Prozesse hergestellt werden. Mit der Gen- und Proteinexpression mesenchymaler Stammzellen unter hypoxischen Bedingungen beschäftigte sich M. Sc. Maren Lönne, Universität Hannover, Institut für Technische Chemie. Mesenchymale Stammzellen sollen zukünftig Funktionsstörungen von Organen nach Unfällen, Tumorerkrankungen oder Herzinfarkten kurieren. Dafür müssen sie vor der Transplantation in vitro vermehrt werden und sind dabei unterschiedlichen Sauerstoffumgebungen ausgesetzt. Es ist daher wichtig zu wissen, wie sie auf diese veränderten Sauerstoffbedingungen reagieren.

Die Preisverleihung findet im Rahmen der Eröffnung der ProcessNet-Jahrestagung und der 30. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen am 11. September 2012 in Karlsruhe statt. Die DECHEMA-Studentenpreise werden seit 1994 jährlich vergeben und sollen zur Effizienzsteigerung des deutschen Hochschulstudiums beitragen.

Vorschläge für die Studentenpreise 2013 können bis Mitte Januar 2013 bei der DECHEMA eingereicht werden. Vorschlagsberechtigt sind die Hochschullehrer der genannten Fachrichtungen.

 

 

 

DECHEMA-Studentenpreise 2012

Kurzfassungen der Preisträgerarbeiten

 

Synthese und strukturelle Untersuchungen von Platin-Nickel bimetallischen Nanopartikelkatalysatoren für Polymer-Electrolyte-Membran-Brennstroffzellen

Dipl.-Ing. Stefan Rudi, TU Berlin, Institut für Chemie

(Fachgebiet Technische Chemie)

In seiner Diplomarbeit synthetisierte Stefan Rudi PtNi-Legierungsnanopartikel und untersuchte diese elektrochemisch auf katalytische Sauerstoffreduktion in der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Das Interesse an einem stabilen und aktiven Katalysator zur Zeit so groß wie noch nie, da das dafür eingesetzte Platin momentan sehr teuer ist und eine relativ hohe Kosten-pro-Energiedichte aufweist[1]. Bimetallische Nanopartikel stellen eine Alternative dazu dar. Sie erhöhen die Aktivität des Katalysators einerseits durch die Vergrößerung der Oberfläche, andererseits tritt durch den Zusatz eines zweiten Metalls eine Verschiebung des d-Bandes auf, was ebenfalls zu einer deutlich höheren Aktivität beiträgt.

Herr Rudi verwendete für seine Untersuchungen verschiedene Syntheserouten und trug die PtxNi100-x (14<x<100) Nanopartikel anschließend auf einem Kohlenstoffträger auf. Dabei konnte er im Vergleich zum reinen Platin-Nanopartikeln-Katalysator bei den elektrochemisch entlegierten PtNi-Nanopartikeln eine deutlich höhere Aktivität nachweisen. Es gelang ihm, die Stabilität der untersuchten PtxNi100-x-Katalysatoren im Vergleich zu den bereits erforschten PtCu3- und PtCo-Katalysatoren zu erhöhen, wobei für die beste katalytische Performance 4000 elektrochemische Zyklen nötig waren. Bester Katalysator war der entlegierte Pt26Ni74 Katalysator.

[1] Gasteiger, H.A., S.S. Kocha, B. Sompalli, F.T. Wagner, Applied Catalysis B: Environmental 56 (2005) 9-35

 

 

Hydrierung an katalytisch aktiven Knotenpunkten von metallorganischen Gerüstverbindungen

Dipl.-Chem. Verena Krug, Universität Stuttgart, Institut für Technische Chemie

(Fachgebiet Technische Chemie)

Ohne Katalyse wäre die heutige chemische Industrie nicht vorstellbar. 80 bis 90 Prozent aller industriell umgesetzten Reaktionen werden zurzeit mit Hilfe von Katalysatoren bewerkstelligt. Meist wird dabei die katalytisch aktive Substanz auf ein Trägermaterial aufgebracht, zum Beispiel auf Zeolithe oder Aktivkohlen. In den letzten Jahren ist eine neue Materialklasse als Katalysatormaterial interessant geworden: sogenannte metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs). Dies sind hochgeordnete poröse Koordinationspolymere, in denen metallische Zentren über organische Moleküle zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Man hofft, sie für eine Reihe industrieller Anwendungen nutzen zu können - zum Beispiel im Bereich der Gasspeicherung, -reinigung und -trennung oder der heterogenen Katalyse.

MOFs könnten als Trägermaterial für katalytisch aktive Verbindungen dienen oder - ein relativ neues Konzept - ihre Metallzentren könnten direkt katalytisch genutzt werden. Da MOFs kristalline Feststoffe mit einem streng regulären Porensystem definierter Porengröße sind, können nur Moleküle, die durch die Poren passen, zu den katalytisch aktiven Zentren im Inneren gelangen. Daher könnten MOFs als formselektive Katalysatoren dienen, die nur bestimmte Substrate umsetzen. Verena Krug stellte in ihrer Diplomarbeit die metallorganische Gerüstverbindung [Pd(2 pymo)2]n her und untersucht ihre Aktivität und Stabilität bei der Hydrierung von Olefinen. Solche Hydrierungen von Olefinen werden industriell beispielsweise bei der Entschwefelung von Rohöl oder der Herstellung von Feinchemikalien eingesetzt. Frau Krug konnte zeigen, dass die Palladium-Zentren von [Pd(2 pymo)2]n die Hydrierung von Olefinen tatsächlich katalysieren und nur solche Substrate umgesetzt werden, die klein genug sind, um ins Innere der Verbindung zu gelangen. Gleichzeitig fand sie heraus, dass eine Hydrierung an den Palladium-Zentren von [Pd(2 pymo)2]n nicht über lange Zeit möglich ist. Im Lauf der Reaktion wird die MOF-Struktur langsam zerstört, und zwar unabhängig davon, welches Substrat umgesetzt wird. Nach der Zersetzung des Katalysators wird die Reaktion schneller: Die Palladium-Ionen in [Pd(2 pymo)2]n werden zu elementarem Palladium reduziert und wandern aus der Verbindung in die Reaktionslösung. Dort sind sie für die Substrate besser zugänglich, so dass alle Substrate unabhängig von ihrer Größe umgesetzt werden. Insgesamt konnte Frau Krug zeigen, dass eine selektive Umsetzung an [Pd(2 pymo)2]n grundsätzlich möglich ist. Durch Optimierung der Reaktionsbedingungen (z.B. Substratkonzentration oder Temperatur) kann die Stabilität des Katalysators erhöht werden.

 

Molecular simulation and experimental investigation of imidazolium based tetracyanoborate ionic liquids: Thermodynamic and transport properties

Dipl.-Ing. Thomas Koller, Universität Erlangen-Nürnberg

(Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik/Chemieingenieurwesen)

Die experimentelle Untersuchung stellt das klassische und am weitesten etablierte Verfahren zur Gewinnung von thermophysikalischen Stoffeigenschaften dar. Aufgrund den damit oftmals einhergehenden experimentellen Anforderungen und Limitierungen wurde in den letzten Jahren der molekularen Simulation eine zunehmende Aufmerksamkeit zuteil, da sie die rechnergestützte Vorhersage einer Vielzahl von Stoffgrößen erlaubt. In seiner Diplomarbeit befasste sich Thomas Koller mit dem Vergleich dieser beiden Methoden der Stoffdatenbestimmung, wobei er untersuchte, inwiefern sich mittels molekularer Simulation thermodynamische Größen als auch Transportkoeffizienten, die aus dem Experiment erzielt werden, berechnen lassen. Hierbei beschäftigte er sich mit einer neuartigen Gruppe von ionischen Flüssigkeiten, denen ein großes Potential als Lösungsmittel zur selektiven Gasabsorption von z.B. klimaschädlichem Kohlendioxid aus Industrieabgasen zugesprochen wird. Dazu wandte er für zwei dieser attraktiven Fluide die Methode der dynamischen Lichtstreuung sowie konventionelle Techniken an, um Reinstoffdaten von hoher Genauigkeit zu erhalten. Durch den Abgleich mit den experimentellen Ergebnissen entwickelte Herr Koller neue Simulationsmodelle für die ionischen Flüssigkeiten, indem er deren molekularen Wechselwirkungsparameter, die das sogenannte Kraftfeld beschreiben, analysierte. Die Anwendung dieser Modelle lieferte eine zuverlässige Vorhersage von sowohl Gleichgewichtsgrößen wie etwa der Dichte, als auch von Transportkoeffizienten, beispielsweise der Viskosität. Nach erfolgreicher Validierung der Modelle konnte Herr Koller Diffusionskoeffizienten unterschiedlicher in Rauchgasen vorkommender Gase in den Flüssigkeiten simulieren, um Aussagen über mögliche Gastrennoperationen zu treffen.

 

 

Determination of Mutual Diffusivities for Ionic Liquid Solvent Mixtures by DLS with Simultaneous Concentration Measurements by Raman Scattering

Dipl.-Ing. Lisa Hopf, Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

(Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik/Chemieingenieurwesen)

Die Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften ist ein wachsendes Forschungsfeld im Bereich der Ionischen Flüssigkeiten (ILs). Da ILs in technischen Anwendungen meist in Kombination mit anderen ILs oder Lösemitteln verwendet werden, sind entsprechende Daten solcher Mischungen, wie z.B. der binäre Diffusionskoeffizient, von großer Bedeutung. Aufgrund der hohen Viskosität und des langsamen Diffusionsprozesses in ILs können Standardmessmethoden wie die Taylor Dispersion oder die digitale Holographie nur mit Einschränkungen auf diese neue Stoffklasse angewendet werden. Mit Hilfe der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) ist es an der Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies und am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik gelungen, den binären Diffusionskoeffizienten von flüssig-flüssig-Systemen mit ILs über den gesamten Konzentrationsbereich und bei einer vergleichsweise kurzen Messzeit zu messen. Darauf aufbauend entwickelte Lisa Hopf in der vorliegenden Arbeit das Messsystem weiter, sodass Mischungen bestehend aus einer IL und einem gasförmigen gelösten Stoff wie CO2 vermessen werden können. Sie testete die Anwendbarkeit des Messaufbaus mit weiteren flüssig flüssig Systemen und evaluierte den Einfluss verschiedener experimenteller Parameter wie der Laserleistung oder der Messdauer. Durch eine systematische Variation von Anion und Kation der ILs untersuchte Frau Hopf deren Einfluss auf den Diffusionsprozess in Kombination mit den organischen Lösemitteln Ethanol und Aceton, wobei sie auch den Einfluss der Temperatur im Bereich von 10 bis 50°C betrachtete. Außerdem testete sie die Anwendbarkeit einer simultanen Raman Messung als potenzielle Möglichkeit für die Konzentrationsbestimmung des in der IL gelösten CO2.

 

 

Visualisierung lateraler Stoffströme während der Trocknung dünner Polymerfilme

Dipl.-Ing. Dirk Sachsenheimer, KIT, Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik

(Fachgebiet Chemische Verfahrenstechnik/Chemieingenieurwesen)

Die Funktionalität hochwertiger Beschichtungen und Folien beispielsweise für optoelektronische Bauelemente wird wesentlich durch deren Oberflächengüte bestimmt. Hierbei stellt die Trocknung der zunächst in Lösung vorliegenden Polymere einen entscheidenden verfahrenstechnischen Schritt dar, da laterale Gradienten in der Trocknungsgeschwindigkeit zu einer Ausbildung von Oberflächenstrukturen führen können.

Dirk Sachsenheimer untersuchte in seiner Diplomarbeit die Mechanismen, die zu dieser Strukturierung führen. Dazu deckte er dünne (h0 ≈ 150µm) Polyvinylacetat-Methanol-Filme halbseitig ab, um so gezielt eine inhomogene Trocknung zu erzielen. Die dadurch verursachten Strömungen im Film, visualisierte er mittels fluoreszierender Tracer-Partikel (D = 0,52µm) auf einer Fläche von 72x72µm². Im Bereich der unabgedeckten Filmoberfläche waren die, für die Marangoni-Konvektion bekannten, dreidimensionalen Konvektionszellen zu beobachten. Im Gegensatz hierzu befand sich im Bereich der Abdeckung eine rein eindimensionale Strömung in Richtung des unabgedeckten Films (höhere Oberflächenspannung). Hierbei steigt die Geschwindigkeit an der Filmoberfläche vs zunächst stark an. Dies ist auf eine Zunahme des Gradienten in der Oberflächenspannung, aufgrund der zunehmenden Differenz in der Polymerkonzentration, zwischen abgedeckten und unabgedeckten Film zurückzuführen. Im weiteren Verlauf der Trocknung durchläuft vs ein Maximum und nimmt dann aufgrund der stark zunehmenden Viskosität der Lösung wieder ab. In diesem Trocknungsabschnitt weisen die Strömungsprofile (senkrecht zur Filmoberfläche) einen linearen Verlauf auf.

Mit diesen Experimenten konnte Dirk Sachsenheimer nachweisen, dass die oberflächenspannungsgetriebe Marangoni-Strömung bei inhomogener Trocknung von Polymerlösungen auftritt und dabei die Oberflächenspannung mit steigender Konzentration zunimmt. Die beobachtete Strömung ließ sich eindeutig mit einer hügel- bzw. wellenartigen Oberflächenstruktur des trockenen Films am Übergang zwischen Abdeckung und freier Oberfläche korrelieren.

 

 

Untersuchungen zur Erzeugung einheitlicher Partikel in Sprühprozessen

Dipl.-Biochem. Fabian Steffen-Munsberg, Universität Greifswald, Institut für Biochemie

(Fachgebiet Biotechnologie)

Als Wirkstoffe sowie deren chemische Vorstufen sind α-chirale primäre Amine für die pharmazeutische Industrie von großer Bedeutung. Da die verschiedenen Enantiomere oft unterschiedliche physiologische Wirkungen aufweisen, ist die Synthese optisch reiner Substanzen von großer Wichtigkeit. Aufgrund der meist milden Bedingungen und der hohen Enantioselektivität von enzymatischen Prozessen im Vergleich zur organischen Synthese sind diese konkurrenzfähig. Ein effektives System zur Darstellung enantiomerenreiner Amine ist die asymmetrische Synthese mittels Amin-Transaminasen (ATAs). Da oft beide Enantiomere eines Wirkstoffes zugänglich sein müssen, werden Enzyme mit (S)- und (R)-Selektivität benötigt. Zwar waren einige (S)-selektive Enzyme bereits seit längerer Zeit beschrieben, die Darstellung von (R)-Enantiomeren scheiterte aber bis vor kurzem an der mangelnden Verfügbarkeit von (R)-ATAs.

Durch Höhne et al. wurden eine ganze Reihe (R)-ATAs identifiziert[1], von denen die sieben aktivsten in der Diplomarbeit von Fabian Steffen-Munsberg auf ihre Eigenschaften und Einsetzbarkeit in der asymmetrischen Synthese untersucht wurden. Es gelang ihm durch stabilisierende Additive gefriergetrocknete und lagerstabile Enzympräparationen herzustellen, die in Biokatalysen eingesetzt wurden.

Nach der Etablierung eines optimierten Systems zur Gleichgewichtsverschiebung auf die Seite der Produkte, Herr Steffen-Munsberg mit den sieben (R)-ATAs in asymmetrischen Synthesen zehn strukturell unterschiedliche Ketone mit exzellenter Enantioselektivität (>99 %ee) quantitativ zu den korrespondierenden (R)-Aminen umsetzen.[2] Auch die Vergrößerung des Maßstabs war erfolgreich, so dass er in der Lage war (R)-4-(4-Methoxyphenyl)butan-2-amin, ein Wachstumsinhibitor für Agrarschädlinge[3], im präparativen Maßstab herzustellen.

[1] Höhne, M.; Schätzle, S.; Jochens, H.; Robins, K.; Bornscheuer, U. T., Nat. Chem. Biol. 2010, 6, 807-813.

[2] Schätzle, S.; Steffen-Munsberg, F.; Thontowi, A.; Höhne, M.; Robins, K. Bornscheuer, U. T., Adv. Synth. Catal. 2011, 353, 2439-2445.

[3] Chattopadhyay, S. K.; Srivastava, S.; Sashidhara, K. V.; Tripathi, A. K.; Bhattacharya, A. K.; Negi, A. S., Bioorg. Med. Chem. Lett. 2004, 14, 1729-1731.

 

 

Gen- und Proteinexpression mesenchymaler Stammzellen unter hypoxischen Bedingungen

M. Sc. Maren Lönne, Universität Hannover, Institut für Technische Chemie

(Fachgebiet Biotechnologie)

Mesenchymale Stammzellen (MSC) besitzen die Fähigkeit, die körpereigene Geweberegeneration zu induzieren und zu unterstützen, und sollen zukünftig Funktionsstörungen von Organen nach Unfällen, Tumorerkrankungen oder Herzinfarkten kurieren. Damit für solch eine Zelltherapie genügend Zellmaterial zur Verfügung steht, ist es notwendig, die MSC nach der Isolation in vitro zu vermehren bevor sie dem Patienten transplantiert werden. Die Zellen sind dabei unterschiedlichen Sauerstoffumgebungen ausgesetzt. Es ist deshalb wichtig zu wissen, wie sie auf diese veränderten Sauerstoffbedingungen reagieren.

Maren Lönne beschäftigte sich in ihrer Masterarbeit mit der sauerstoffabhängigen Gen- und Proteinexpression mesenchymaler Stammzellen aus dem Nabelschnurgewebe während ihrer in vitro Kultivierung.

Im theoretischen Teil ihrer Arbeit verglich sie zunächst die Eigenschaften der mesenchymalen Stammzellen aus geburtsassoziierten Geweben mit denen aus anderen adulten Geweben. Anschließend stellte sie die bereits etablierten Isolationsmethoden und Kultivierungsbedingungen zusammen, wobei sowohl die chemische Zusammensetzung des Kulturmediums als auch die physikalischen Umweltbedingungen berücksichtigt wurden. Besonderes Augenmerk legte sie dabei auf die Stammzellkultivierung bei reduziertem Luftsauerstoffgehalt von maximal 10 % - den sogenannten hypoxischen Bedingungen. Anhand der Literatur beschrieb Frau Lönne das Proliferations- und Differenzierungsverhalten sowie der Metabolismus der Zellen in Folge einer mehrtägigen Kultivierung unter diesen hypoxischen Bedingungen. Darüber hinaus gab sie eine Übersicht der bekanntermaßen sauerstoffabhängig exprimierten Gene gegeben, wobei sie auch die Rolle des Transkriptionsfaktors HIF-1 diskutierte.

Im Rahmen der praktischen Arbeiten konnte Frau Lönne mesenchymale Stammzellen aus dem Nabelschnurgewebe erfolgreich bei 21 % und 2,5 % Luftsauerstoffgehalt kultivieren. Mit Hilfe eines Whole-Genome-Microarrays erstellt sie ein Expressionsprofil von 2600 Genen, das sie auf die Expression von Oberflächenantigenen, Tumormarkern und Cytokinen untersuchte. Die Ergebnisse der Microarray-Analyse konnte sie anschließend auf Nukleinsäureebene mit zwei verschiedenen PCR-Methoden verifizieren. Darüber hinaus quantifiziert sie mit Hilfe eines chipbasierten Immunoassays 40 Cytokine im Cytosol. Für die DNA- und Proteinchipexperimente entwickelte Frau Lönne Auswerteschemata, die auf Microsoft Excel und VBA basieren. Sie konnte nachweisen, dass der Sauerstoffgehalt keinen Einfluss auf die Expression von Oberflächenantigenen nimmt und die Zellen somit im undifferenzierten Stammzellstadium kultiviert werden können. Einige Cytokine, die für die in vitro Expansion unverzichtbar sind, sowie einige Tumormarker werden hingegen bei hypoxischen Bedingungen überexprimiert. Dies spiegelt das unter hypoxischen Bedingungen gesteigerte Wachstumspotential der Stammzellkulturen wider und zeigt gleichzeitig, dass insbesondere während der Langzeitkultivierung der Zellen die Gefahr besteht, dass sie entarten. In einem zweiten Ansatz ihrer Masterarbeit verglich Frau Lönne die Zellen einer Stammzellpopulation per Gegenstromelutriation nach ihrer Größe getrennt und das Expressionsprofil der entstehenden Subzellpopulationen sowie der ursprünglichen Population per hierarchischer Clusteranalyse miteinander. Damit konnte sie die Heterogenität der mesenchymalen Stammzellen auf Gen- und Proteinexpressionsebene nachgeweisen.

 

 

 

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