F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R G R E N Z F L Ä C H E N - U N D B I O V E R F A H R E N S T E C H N I K I G B

JAHRESBERICHT

2016 | 17

Bioreaktor zur Umsetzung von nachwachsenden Rohstoffen

mit Mikroorganismen. Im Straubinger Institutsteil BioCat

werden biotechnologische Verfahren bei Bedarf auch mit

chemischen und elektrochemischen Prozessen kombiniert,

um aus Biomasse neue Produkte für die chemische Industrie

herzustellen.

JAHRESBERICHT

2016 | 17

4

4 6 G E S U N D H E I T

50 Wertstoffe aus Mikroalgen für die Lebensmittel-

anwendung

52 Hautmodelle unterschiedlicher Komplexität für

Forschung, Entwicklung und präklinische Studien

54 Eisenoxid-Nanopartikel für die regenerative

Medizin

56 Electrospinning in der regenerativen Medizin

58 Funktionelle Verkapselung von Wirkstoffen mittels

Sprühtrocknung

60 Immunmodulatoren für die Therapie von Infektio-

nen und entzündlichen Erkrankungen

62 Qualitätsmanagementsysteme in präklinischen

Forschungseinrichtungen

64 Mikrophysiologische Organ-on-a-Chip-Systeme als

Alternativen zum Tierversuch

A U S G E W Ä H L T E

F O R S C H U N G S E R G E B N I S S E

2016

6 V O R W O R T

P R O F I L

10 Kurzprofil

11 Kuratorium des Fraunhofer IGB

12 Angebot und Infrastruktur

14 Das Institut in Zahlen

16 Organigramm

18 Fraunhofer IGB in Netzwerken

20 Fraunhofer CBP in Netzwerken

21 Fraunhofer-Verbünde und -Allianzen

H I G H L I G H T S 2 0 1 6

22 Forschung – Kooperationen und Projekte

24 Fraunhofer IGB international

28 Personalia, Preise, Begegnungen

30 Nachwuchsförderung

K O M P E T E N Z E N

32 Die Fraunhofer-Gesellschaft

34 GrenzflächentechnologieundMaterialwissenschaft

35 Molekulare Biotechnologie

36 Physikalische Prozesstechnik

37 Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik

38 Zell- und Tissue Engineering

39 Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechno -

logische Prozesse CBP

40 Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat

41 Translationszentrum »Regenerative Therapien für

Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen«

42 InstitutfürGrenzflächenverfahrenstechnik

und Plasmatechnologie IGVP

INHALT

9 0 U M W E L T U N D E N E R G I E

94 Interessenausgleich im Unternehmen mit der

Stakeholder-Interaktionsanalyse

96 Elektrochemische Aufbereitung von Prozesswässern

in der Galvanik

98 MoGeSoWa–Energieeffizienzsteigerungdurch

sorptive Wärmespeicher

100 Einsatz von Membranen zur Aufarbeitung von Bio-

butanol mittels Osmose

102 Weitere Daten und Fakten

104 Informationsservice

105 Impressum

6 6 C H E M I E U N D P R O Z E S S I N D U S T R I E

70 Bi-Amin – Amine nachhaltig produzieren

72 Stabile Plasmapolymere durch Ringöffnung

74 Produktion von Itaconsäure – Fermentative Her-

stellung und Scale-up

76 BioinspiriertefluorcarbonfreieHydrophobierungs-

mittel für Textilien

78 CARBOPREC – Kohlenstofffasern aus nach-

wachsenden Rohstoffen

80 StofflicheNutzungvonMethanzurHerstellungvon

Plattformchemikalien

82 Herstellung von Chemikalien aus CO2

84 Free-Flow-Elektrophorese – Entwicklungen für die

industrielle Umsetzung

86 KomBiChemPro – Fein- und Plattformchemikalien

aus Holz

88 Mikrobielle Herstellung von Plattformchemikalien

und Scale-up von Fermentationsprozessen

5

im Jahr 2016 haben wir unsere Strategie überarbeitet und drei Geschäftsfelder, auf die wir

unsfokussierenwollen,definiert.Diesesind:Gesundheit,ChemieundProzessindustriesowie

UmweltundEnergie.InallendreiFeldernwerdensowohlinnovativeProduktewieauchdie

EntwicklungneuerVerfahrenangestrebt.DazuentwickelnwirdieVerfahrenzunächstimLa-

bormaßstabundskalierensiedannbisaufdenquasiindustriellenMaßstab.

BisjetztfanddieSkalierungüberwiegendamFraunhofer-ZentrumCBPinLeunastatt.Dort

ist das Arbeiten mit großen Volumina bis 10 Kubikmeter schon fast Routine, sowohl in

öffentlichenProjektenwieauchdirektimAuftragfürdieIndustrie.Inzwischenwurdendort

über100AufschlüsseinderLignocellulose-Bioraffinerie-Pilotanlagegefahrenundmehrere

100 Kilogramm Produktmuster auf der Basis von Lignin und Zellstoffen für verschiedene

Anwenderbereitgestellt.AufgrunddiesererfolgreichenEntwicklunghatdasLandSachsen-

AnhaltMittelzurErweiterungderAnlagezurVerfügunggestellt.InnerhalbdesSpitzenclusters

BioEconomywurden2016dieerstenProjekteerfolgreichabgeschlossen.InStuttgartundin

unserem Institutsteil in Straubing sind bereits weitere Verfahren für die Aufskalierung in Leuna

inderPipeline.MitdemCBPinLeunahabenwirdieLückeinderSkalierungvonLaboruntersu-

chungen auf den industriellen Maßstab geschlossen und bieten im europäischen Umfeld eine

Vorzeige-Bioraffinerie.

Ein wichtiges geschäftsfeldübergreifendes Thema ist die Nutzung von Kohlendioxid als Roh-

stoff.HieristesdenKolleginnenundKollegeninStraubinggelungen,eineuropäischesProjekt

einzuwerben, in dem es um die elektrochemische und biochemische Konversion von CO2 geht

(sieheS.82).

Die Skalierung und Skalierbarkeit von Prozessen ist ein zentrales Anliegen für ein verfahrens-

technischorientiertesInstitut.SohabenwirschonimJahr2009geplant,auchamStandort

Stuttgart Technika zu betreiben, die es erlauben, weitere Prozesse auf industrienahem Niveau zu

entwickeln.DazuwareinNeubauerforderlich,derunsnunseitDezember2016zurVerfügung

steht.InverschiedenenTechnikawerdenwirdievonunsbearbeitetenVerfahreninPilotanlagen

umsetzenundauchVerfahrenkombinieren.EinesderTechnikawirdbeispielsweisedemThema

»Wasser« gewidmet sein und verschiedene biologische, chemische und physikalische Verfahren

und Verfahrenskombinationen zur Aufreinigung von industriellen und urbanen Abwässern

beherbergen.DabeiwerdenauchwertvolleReststoffewiePhosphorineinemvonunsentwi-

ckeltenundpatentiertenVerfahrenalsDüngerfürdieLandwirtschaftzurückgewonnen.

6

LIEBE LESERINNEN UND LESER,

7

Wir freuen uns auch, dass mit der Fertigstellung des Technikumsgebäudes eine schnellere

Projektbearbeitung möglich ist und unsere im Frühjahr 2016 installierte Attract-Gruppe

»Organ-on-a-Chip«sichinadäquaterLaborumgebungentfaltenkann.DenNeubaunutzenzu

können, bedeutet auch eine Entzerrung auf Seiten der bestehenden Labors, für die besondere

Sicherheitsrichtliniengelten,wiedieS2-undGLP-Labors.

MiteinerweiterenNeuerunghabenwirzumJahresendebegonnen.UmdasKnow-howder

Träger unserer Kernkompetenzen noch besser nutzen zu können, unterstützen wir die Bildung

abteilungsübergreifenderFachgruppen.UnserenKernthemenwieetwa»Wasser«oder»Bio-

materialien«, die bisher unter unterschiedlichen Aspekten innerhalb verschiedener Abteilungen

bearbeitet wurden, können wir durch die noch intensivere Zusammenarbeit mehr Gewicht und

bessereSichtbarkeitverleihen.

Erfreulich ist auch, dass von unseren geplanten vier Ausgründungen bereits die erste Firma

gegründetwurde–dieNoscendoGmbH.MomentanwerdendieKonditionenfürdieweitere

EntwicklungundKooperationzwischenFraunhoferundderFirmaverhandelt.

Schließlich möchten wir noch berichten, dass die Berufung für die Nachfolge von Professor

Hirth, unserem ehemaligen Institutsleiter, voranschreitet und sich die Berufungskommission

vermutlichnochimFrühjahraufeineKandidatinodereinenKandidatenverständigt.

Wir möchten uns nun bei Ihnen, unseren Kunden und Partnern, für das entgegengebrachte

Vertrauen bedanken und freuen uns, die begonnenen Projekte mit Ihnen zum Erfolg zu führen

undnatürlichauch,gemeinsammitIhnenneueProjekteinAngriffzunehmen.Wirwünschen

Ihnen eine spannende Lektüre und hoffen, dass der vorliegende Jahresbericht neue Impulse für

eineweitereKooperationbietet.

WirfreuenunsaufdieZusammenarbeitundeinenregenAustauschmitIhnen.

Katja Schenke-Layland Christian Oehr

FRAUNHOFER IGB IM PROFIL 2016 14 BoGy-Schüler

2 Fraunhofer-Verbünde

75 Uni-Mitarbeitende

51 % Frauenanteil

18 Auszubildende

3 Institutsteile

11,6 Mio € Sachaufwand

2,9 Mio € Investitionen

29,4 Mio € Gesamthaushalt

469 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

5 Abteilungen

25 Nationalitäten

394 Fraunhofer-Mitarbeitende

14 BoGy-Schüler

2 Fraunhofer-Verbünde

75 Uni-Mitarbeitende

18 Kuratoren

51 % Frauenanteil

18 Auszubildende

3 Institutsteile

11 Fraunhofer-Allianzen

42 Doktoranden

11 Mitarbeiter mit Lehraufträgen

200 Studierende

11,6 Mio € Sachaufwand

2,9 Mio € Investitionen

14,9 Mio € Personalaufwand

71 % Eigenerträge

2 Preise und Auszeichnungen

10

Anwendungsorientiert und interdisziplinär

Unser Ziel ist es, FuE-Ergebnisse aus Natur- und Ingenieurwis-

senschaften direkt in wirtschaftlich attraktive und gleichzeitig

nachhaltige Verfahren und Produkte für die industrielle Praxis

umzusetzen.KomplettlösungenvomLabor-biszumPilotmaß-

stabgehörendabeizudenStärkendesInstituts.

Der Erfolg neuer Verfahren und Produkte erfordert mehr denn

je das interdisziplinäre Zusammenspiel von Naturwissenschaf-

tenundVerfahrenstechnik.Wissenschaftlicheundtechnische

Mitarbeitende aus den Gebieten Chemie, Physik, Biologie und

Ingenieurwissenschaften arbeiten am Fraunhofer IGB in Stutt-

gart sowie den Institutsteilen in Leuna, Straubing und Würz-

burgerfolgreichzusammen.Dabeieröffnetdaskonstruktive

Zusammenspiel verschiedener Disziplinen in Bereichen wie

Medizintechnik, Nanotechnologie, Aufarbeitungs- und Um-

welttechnologienneueAnsätzeundinnovativeLösungen.

Kernkompetenzen

Abteilungen, Standort Stuttgart

� GrenzflächentechnologieundMaterialwissenschaft

� Molekulare Biotechnologie

� Physikalische Prozesstechnik

� Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik

� Zell- und Tissue Engineering

Institutsteile

� Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische

Prozesse CBP, Institutsteil Leuna

� Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat, Institutsteil

Straubing

� Translationszentrum »Regenerative Therapien für Krebs- und

Muskuloskelettale Erkrankungen«, Institutsteil Würzburg

Leitbild: Mission

»Am Fraunhofer IGB forschen wir nach den Grundsätzen

guter wissenschaftlicher Praxis auf der Basis unserer Kompe-

tenzen und Leitsätze anwendungsorientiert in den Bereichen

Gesundheit, Chemie und Prozessindustrie sowie Umwelt und

Energie und tragen mit unseren Innovationen zur nachhalti-

genEntwicklungvonWirtschaftundGesellschaftbei.«

INNOVATIONEN AN GRENZFLÄCHEN

PROFIL

Das Fraunhofer IGB ent wicke l t und opt imier t Ver fahren, Anlagen, P rodukte und Techno log ien in den

Geschäf t s fe ldernGesundheit , Chemie und Prozess industr ie sowieUmwelt und Energie. UnserenKunden

bietenwir Forschungund Entwick lung (FuE) ent langder gesamten s tof f l ichenWer t schöpfungsket te, er-

gänz tdurche inbre i tesSpektrumanAnalyse -undPrüf le is tungen.Damit s indwir e in s tarkerPar tner für

indus tr ie l le Unternehmen und k le ine oder mit te ls tändische Unternehmen unter schiedl ichs ter Branchen,

fürKommunenundZweckverbändesowiefürd ieVer tragsforschungvonEU,BundundLändern.

11

Mitglieder

Dr. Susanne Arbogast

Roche Diagnostics GmbH

Dr. Gerd Eßwein

Freudenberg New Technologies SE &

Co.KG

MinR Dr. Hans-Jürgen Froese

Bundesministerium für Ernährung und

Landwirtschaft(BMEL)

Prof. Dr. Matthias Frosch

Medizinische Fakultät, Universität

Würzburg

MinDirig Dipl.-Ing. Peter Fuhrmann

Ministerium für Umwelt, Klima und

Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Dr.-Ing. Bernd Krause

Gambro Dialysatoren GmbH

Dr. Caroline Liepert

Ministerium für Wissenschaft, Forschung

und Kunst Baden-Württemberg

Dr. Christian Naydowski

VOITHPaperHoldingGmbH&Co.KG

Prof. Dr. Klaus Pfizenmaier

(bisApril2016)

Institut für Zellbiologie und Immuno-

logie, Universität Stuttgart

Prof. Dr. Dr. h. c. Ralf Riedel

Fachgebiet »Disperse Feststoffe«,

TU Darmstadt

Prof. Dr. techn. Günter Scheffknecht

Institut für Feuerungs- und Kraftwerks-

technik, Universität Stuttgart

Dipl.-Ing. Otmar Schön

(bisApril2016)

HYDAC Technology GmbH

MinDirig Dr. Jörg Wagner

Bundesministerium für Umwelt,

Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

(BMUB)

MinR Dr. Joachim Wekerle

Ministerium für Finanzen und Wirtschaft

Baden-Württemberg

Dr. Günter Wich

Wacker Chemie AG

Prof. Dr. Karl-Heinz Wiesmüller

EMC microcollections GmbH

Dr. Wieland Wolf

ProBioGen AG

Dr. Markus Wolperdinger

(Vorsitzender)

Linde AG, Engineering Division

Ständige Gäste

Prof. Dr. Herwig Brunner

(EhemaligerInstitutsleiter)

Prof. Dr. Dieter Jahn

(VorsitzenderdesKuratoriums1999bis

2013)

KURATORIUM DES FRAUNHOFER IGB

Die Kurator ien der Fraunhofer- Ins t i tute s tehen dem Vors tand der Fraunhofer-Gesel lschaf t und der Ins t i -

tut s le i tungberatendzurSe i te. IhnengehörenPersonenderWissenschaf t , derWir t schaf t undderöf fent-

l i chenHandan.

11

12

ANGEBOT UND INFRASTRUKTUR

Infrastruktur, Labor- und Geräteausstattung

Spitzentechnologien und eine umfangreiche, moderne Gerä-

teausstattung sind für unsere wissenschaftliche Arbeit uner-

lässlich–davonprofitierenauchSiealsunserKunde.Unsere

Labors sind für Arbeiten bis zur biologischen Sicherheitsstufe

S2ausgelegt.EinneuesTechnikumwurdezumJahreswechsel

bezogenundinBetriebgenommen.UnserzentralesChemi-

kalien-undSchadstofflagerwirdvomgesamtenStuttgarter

Fraunhofer-Institutszentrumgenutzt.

Qualitätssysteme

Seit vielen Jahren garantieren standardisierte Abläufe und

Prozesse am Fraunhofer IGB eine zuverlässige und gleichblei-

bendeQualitätunsererDienstleistungenundProdukte.Ein

leistungsfähiges Qualitätsmanagementsystem stellt sicher,

dass ausgewählte Prüfungen nach der internationalen Norm

DINENISO/IEC17025akkreditiertsind.UnserQualitätssiche-

rungssystem gewährleistet, dass die gesetzlich vorgeschriebe-

nenRichtlinienderGutenLaborpraxis(engl.GoodLaboratory

Practice,GLP)erfülltwerden.

Akkreditierter Prüfbereich

DieAkkreditierungausgewählterPrüflaborsundPrüfverfahren

in unserer Analytik garantiert, dass auch eigene, am Fraunho-

ferIGBentwickelteMethoden(Hausverfahren)imerforderli-

chenUmfangvalidiertwerden.SomitistdieQualitätunserer

Prüfungen auch dann gewährleistet, wenn keine genormten

MethodenzurVerfügungstehen.

Nach DIN EN ISO / IEC 17025 akkreditierte Prüfarten / Prüf-

verfahrensind:

� Hochleistungsflüssigkeitschromatographie(HPLC)

� Ionenchromatographie(IC)

� Gaschromatographie(GC,GC/MS)

� Atomemissionsspektrometrie(ICP-AES)

� ElektronenspektroskopiezurchemischenAnalyse(ESCA/XPS)

� In-vitro-Prüfung der Zytotoxizität

� In-vitro-Prüfung der Phototoxizität

Akkreditierte Prüfung der Biokompatibilität und

Phototoxizität

Die Prüfung der In-vitro-Zytotoxizität erfolgt nach DIN ISO

10993-5unterVerwendungeinerhumanenZelllinie.Mit

unserem Hausverfahren zur Prüfung der Phototoxizität

untersuchen wir Lösungen und Substanzen hinsichtlich ihres

phototoxischen Potenzials an unserem dreidimensionalen

Hautmodell.DieTestmethodeistandieOECD-Richtlinie432

unddasINVITTOX-ProtokollNr.121angelehnt.

Das Fraunhofer IGB is t Forschungs- und Entwick lungspar tner für Kunden aus der Wir t schaf t und der öf-

fent l ichenHand. InunserenGeschäf t s fe ldernentwickeln, real is ierenundopt imierenwir Ver fahren,Pro -

dukte und Anlagen sowie neue Technologien – von Machbarkeit ss tudien und er s ten Untersuchungen im

LaborüberdenTechnikums-undP i lotmaßstabbis zurEinsat zre i fe. Einbre i tesSpektrumanAnalyse -und

Prüf le is tungenbegle i tet unsereFuE-Arbeit .

PROFIL

13

Gute Laborpraxis – GLP-Prüfeinrichtung

In unserer GLP-Prüfeinrichtung führen wir nicht-klinische

SicherheitsprüfungenderPrüfkategorie9(»Zellbasierte

TestsystemezurBestimmungbiologischerParameter«)durch.

Beispiele sind Bioaktivitäts-, Zytotoxizitäts- und Immunoge-

nitätsprüfungen, das Screening von TLR-Agonisten / Anta-

gonisten, die Testung auf antimikrobielle Eigenschaften von

SubstanzenoderOberflächensowiederNachweispyrogener

undmikrobiellerRückstände.

Leistungsangebot

Verfahrens-, Technologie- und Produktentwicklung

� Bau von Demonstrationsanlagen und Prototypen

� Implementierung neuer Technologien

� Lizensierung von Technologien und Verfahren

Beratung und Studien

� Machbarkeitsstudien und Technologieanalysen

� Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsbetrachtungen

Analyse- und Prüfleistungen

Unser breites Angebot an biologischen und physikalisch-

chemischen Untersuchungsmethoden macht das Institut zu

einem vielseitigen Partner in den Bereichen Medizin und

Pharmazie, Lebensmittelproduktion und Chemie sowie in der

Umwelt-undWasseranalytik.

Physikalisch-chemische Analytik

Qualitätskontrolle, Lebensmittelanalytik, Spuren-, Rückstands-

und Umweltanalytik, Wasseranalytik

Hochauflösende 400-MHz-NMR-Analytik

Molekülstrukturaufklärung, Reaktionsverfolgung,

Tieftemperaturanalytik

Oberflächen- und Partikelanalytik

Charakterisierung chemischer, physikalischer und morpho-

logischerEigenschaftenvonMaterialoberflächen,dünnen

Schichten, Pulvern und Partikeln

Mikrobiologische Bewertung

PrüfungderantimikrobiellenWirkungvonOberflächenein-

schließlich photokatalytischer Eigenschaften

Biochemische und molekularbiologische Analytik

MicroarraysfürdieDiagnostik,Proteinexpressionsprofile,Pro-

teinanalytiku.a.mitMALDI-TOF/TOF-Massenspektrometrie

Next-Generation-Sequenzierung

De-novo-Genom- / Transkriptomsequenzierung, Meta-Genom-

und Meta-Transkriptomanalysen, Mikrobiomuntersuchungen,

Next-Generation-Diagnostik(Infektionen,COPD,etc.)

Zellbiologische Analytik

Zellcharakterisierung, Einzelzell-Entnahme/Mikrodissektion,

durchflusszytometrischeAnalysen,Qualitäts-undSterilitäts-

kontrolle von Tissue-Engineering-Produkten

Zell-Material-Wechselwirkungen

Zytotoxizität / Biokompatibilität von Forschungs- und Industrie-

produkten, Phototoxizität von Substanzen und Lösungen

Weitere Informationen zu

unserem Analytik-Leistungsangebot

finden Sie unter:

www.igb.fraunhofer.de/analytik

14

DAS INSTITUT IN ZAHLEN

PROFIL

Haushalt

Der Gesamthaushalt umfasste im Berichtsjahr ein Volu-

menvon29,4Mio€.AufdenBetriebshaushaltentfielen

26,5Mio€,davon14,9Mio€aufdenPersonalaufwandund

11,6Mio€aufdenSachaufwand.Investitionenwurdenin

Höhevon2,9Mio€getätigt.

71,0ProzentdesBetriebshaushalteswareneigeneErträge.

32,5 Prozent der Eigenerträge stammen aus Projekten, die

unmittelbarfürindustrielleAuftraggeberabgewickeltwurden.

Herkunft der eigenen Erträge 2016Entwicklung des Gesamthaushalts

02012 2013 2014 2015* 2016* Budget

2017*

30

28

26

24

22

Mio €

20

14

8

4

18

16

12

10

6

2

SachaufwandPersonalaufwand Investitionen

40,7 % Bund / Länder

32,5 % Industrie / Wirtschaftsverbände

20,4 % EU

6,3 % Sonstige

* inkl.CBP(nachAbschlussderAnschubfinanzierungsphase)

15

Personal

Am31.Dezember2016warenamFraunhoferIGBinStuttgart

und seinen Institutsteilen in Straubing, Würzburg und Leuna

394MitarbeiterinnenundMitarbeitertätig,davonnahezu

90ProzentimwissenschaftlichenundtechnischenBereich.

DerFrauenanteilbetrug55Prozent.

75 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend Wissen-

schaftlerinnen und Wissenschaftler, Doktorandinnen und

Doktoranden, zudem technisches Personal und studentische

Hilfskräfte,zähltedasInstitutfürGrenzflächenverfahrens-

technik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart

zum31.Dezember2016.DerFrauenanteilamIGVPbetrug

27Prozent.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Fraunhofer IGB,

seinerInstitutsteileunddesIGVParbeitenengvernetzt.Be-

merkenswertistauchdiekulturelleVielfaltderEinrichtungen:

33 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter kommen aus 25 verschie-

denenLändernaußerhalbDeutschlands.

Zahl der Mitarbeitendenzum31.12.2016 Fraunhofer IGB IGVP

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 95 12

Technisches Personal 101 13

Doktorandinnen und Doktoranden 2 31

Verwaltung / Sekretariate 39 4

Auszubildende 13 5

Stipendiaten – 9

StudierendemitAbschlussarbeiten(Master,Bachelor),Praktikanten 49 (55)*

Studentische / wissenschaftliche Hilfskräfte 95 1

394 75

Entwicklung der Mitarbeiterzahlen

0

Mit

arb

eite

rzah

l

350

400

450

300

250

200

150

100

50

Fraunhofer IGB IGVP

*StudierendemitAbschlussarbeitenamIGVPwurdennichtalsMitarbeitendegezählt.

75

394

2016

84

313

2012

82

344

2013 2014

84

365

2015

391

92

16

PROFIL

Assistenz der Institutsleitung

Sara Bevilacqua Telefon+49711970-4402 sara.bevilacqua@igb.fraunhofer.de

Institutsleitung (kommissarisch, geschäftsführend)

Prof.Dr.KatjaSchenke-Layland Telefon+49711970-4082 katja.schenke-layland@ igb.fraunhofer.de

Institutsleitung (kommissarisch)

Hon.-Prof.Dr.ChristianOehr Telefon+49711970-4137 christian.oehr@igb.fraunhofer.de

Stellvertretende Institutsleitung

apl.Prof.Dr.SteffenRupp Telefon+49711970-4045 steffen.rupp@igb.fraunhofer.de

ORGANIGRAMM

� Infektionsbiologie und Arraytechnologie � Functional Genomics � Molekulare Zelltechnologie � Industrielle Biotechnologie � Analytik

MOLEKULARE

BIOTECHNOLOGIE

Dr.KaiSohn Telefon+49711970-4055 kai.sohn@igb.fraunhofer.de

Dr.AnkeBurger-Kentischer Telefon+49711970-4023 anke.burger-kentischer@ igb.fraunhofer.de

apl.Prof.Dr.SteffenRupp Telefon+49711970-4045 steffen.rupp@igb.fraunhofer.de

� Wärme- und Sorptionssysteme � Physikalisch-chemische Wassertechnologien � Nährstoffmanagement � Aseptische Technologien � Prototypenentwicklung

PHYSIKALISCHE

PROZESSTECHNIK

Dipl.-Ing.SiegfriedEgner Telefon+49711970-3643 siegfried.egner@igb.fraunhofer.de

Dr.ThomasScherer Telefon+49711970-4091 thomas.scherer@igb.fraunhofer.de

Dr.AnaLucíaVásquez-Caicedo Telefon+49711970-3669 analucia.vasquez@igb.fraunhofer.de

� Membranen � Partikuläre Systeme und Formulierungen � Plasmatechnik und dünne Schichten � PolymereGrenzflächenundBiomaterialien

GRENZFLÄCHENTECHNOLOGIE

UND MATERIALWISSENSCHAFT

Hon.-Prof.Dr.ChristianOehr Telefon+49711970-4137 christian.oehr@igb.fraunhofer.de

Dr.ThomasSchiestel Telefon+49711970-4164 thomas.schiestel@igb.fraunhofer.de

Dr.AchimWeber Telefon+49711970-4022 achim.weber@igb.fraunhofer.de

17

Prof.Dr.DieterBryniok Telefon+49711970-4211 dieter.bryniok@igb.fraunhofer.de

Dr.IrisTrick Telefon+49711970-4217 iris.trick@igb.fraunhofer.de

Verwaltungsleitung Controlling und Finanzen

Dipl.-Kfm.MichaelBangert Telefon+49711970-4019 michael.bangert@igb.fraunhofer.de

Verwaltungsleitung Personal und Organisation

KatjaRössleinM.A. Telefon+49711970-4009 katja.roesslein@igb.fraunhofer.de

Presse und Öffentlichkeitsarbeit

Dr.ClaudiaVorbeck Telefon+49711970-4031 claudia.vorbeck@igb.fraunhofer.de

Business Development

Dipl.-Agr.-Biol.SabineKriegMBA Telefon+49711970-4003 sabine.krieg@igb.fraunhofer.de

Business Development

Dr.UweVohrer Telefon+49711970-4134 uwe.vohrer@igb.fraunhofer.de

Prof.Dr.PetraKluger Telefon+49711970-4072 petra.kluger@igb.fraunhofer.de

INSTITUTSTEILE

Fraunhofer CBP, Leuna

Dipl.-Chem.(FH)GerdUnkelbach Telefon+49346143-9101 gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de

BioCat, Straubing

Prof.Dr.VolkerSieber Telefon+499421187-300 volker.sieber@igb.fraunhofer.de

Translationszentrum Regenerative Therapien, Würzburg

Prof.Dr.HeikeWalles Telefon+4993131-88828 heike.walles@igb.fraunhofer.de

� Algentechnik � Bioprozesstechnik � Bioenergie � Integriertes Wassermanagement

UMWELTBIOTECHNOLOGIE

UND BIOVERFAHRENSTECHNIK

Dr.-Ing.UrsulaSchließmann Telefon+49711970-4222 ursula.schliessmann@ igb.fraunhofer.de

� Kardiovaskuläre Systeme, Biomaterialien und Bioimaging

� Attract-Gruppe »Organ-on-a-Chip«

ZELL- UND

TISSUE ENGINEERING

Prof.Dr.KatjaSchenke-Layland Telefon+49711970-4082 katja.schenke-layland@ igb.fraunhofer.de

Dr.SvenjaHinderer Telefon+49711970-4196 svenja.hinderer@igb.fraunhofer.de

Vernetzung mit Universitäten

Die Erforschung der Grundlagen ermöglicht die Anwendun-

genvonmorgen.DaherhaltenwiramInstitutdieKontakte

zudenbenachbartenUniversitätensoengwiemöglich:über

wissenschaftliche Kooperationen ebenso wie über eine Uni-

versitätsprofessur oder Lehrbefugnis unserer Mitarbeiterinnen

undMitarbeiter.DurchdieEinbindungunsererInstitutsteile

in Straubing, Würzburg und Leuna konnten wir unser wis-

senschaftliches Netzwerk auch auf Standorte außerhalb

Stuttgartsausdehnen.DasInstitutfürGrenzflächenverfah-

renstechnik und Plasmatechnologie IGVP an der Universität

Stuttgart(sieheS.42)istdemFraunhoferIGBdurchzahlreiche

Lehrtätigkeiten und einen gemeinsamen Betrieb besonders

engverbunden.

� Priv.-Doz. Dr. Susanne Bailer

Lehrbefugnis in der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Bio-

technik, Universität Stuttgart

� Dr. Kirsten Borchers

Lehrauftrag in der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Bio-

technik, Universität Stuttgart

� Prof. Dr. Dieter Bryniok

Professur für Umweltbiotechnologie, Hochschule Hamm-

Lippstadt

18

FRAUNHOFER IGB IN NETZWERKEN

Das Fraunhofer IGB is t akt ives Mitgl ied in zahlre ichen nat ionalen und internat ionalen Forschungsnetzwer-

ken. Kooperat ionen mit ver sch iedenen Univer s i täten und außeruniver s i tären For schungse inr i chtungen

sowie d ie interd i s z ip l inäre Zusammenarbe i t mi t anderen Fraunhofer- Ins t i tu ten ergänzen d ie e igenen

Kompetenzenundermögl ichenesuns, SynergienimSinneunsererindustr ie l lenKundenzunutzen.Eben -

so t re iben wir über unser Net z werk s t rateg ische, w i r t schaf t l i che und nachha l t ige Pos i t ionen im for-

schungspol i t i schenUmfeldvoran.

PROFIL

� Prof. Dr. Petra Kluger

Professur für Tissue Engineering an der Hochschule Reut-

lingen, Fakultät Angewandte Chemie

� Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr

Lehrauftrag der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Bio-

technik, Universität Stuttgart

� apl. Prof. Dr. Steffen Rupp

Außerplanmäßige Professur und Lehrbefugnis in der

Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik, Universität

Stuttgart

� Prof. Dr. Katja Schenke-Layland

Professorin für Medizintechnik und Regenerative Medizin,

Department für Frauengesundheit, Forschungsinstitut für

Frauengesundheit, Eberhard Karls Universität Tübingen;

Adjunct Associate Professor an der David Geffen School of

Medicine, Abteilung Kardiologie, University of California

LosAngeles(UCLA),LosAngeles,Kalifornien,USA

� Dr.-Ing. Ursula Schließmann

Lehrtätigkeit in der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Bio-

technik, Universität Stuttgart

� Prof. Dr. Volker Sieber

Professur und Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe,

Technische Universität München

19

� apl. Prof. Dr. Günter Tovar

Außerplanmäßige Professur und Lehrbefugnis in der Fakul-

tät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik und in der Fakul-

tät Chemie, Universität Stuttgart;

KommissarischerInstitutsleiterdesInstitutsfürGrenzflä-

chenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, Uni-

versitätStuttgart(seitJanuar2016)

� Prof. Dr. Heike Walles

Professur und Lehrstuhl für Tissue Engineering und Rege-

nerative Medizin, Universität Würzburg

Darüber hinaus sind wir mit zahlreichen weiteren Universitä-

ten und Hochschulen, außeruniversitären Forschungseinrich-

tungenundKlinikenvernetzt.

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PROFIL

Ausgewählte Netzwerke Fraunhofer IGB

� BioMedTeche.V.

� Brennstoffzellen-undBatterie-AllianzBW(BBA-BW)

� CLIB2021ClusterIndustrielleBiotechnologiee.V.

� DeutschePhosphor-PlattformDPPe.V.

� EU-Arbeitskreis der wirtschaftsnahen Forschungseinrich-

tungen in Baden-Württemberg

� EuropeanSustainablePhosphorusPlatform(ESPP)

� European Technology Platform for Water WssTP

� ForumMedTechPharmae.V.

� Forschungsallianz Kulturerbe

� Fraunhofer-EU-Netzwerk

� Fraunhofer-Netzwerk Nachhaltigkeit

� Fraunhofer-Netzwerk International Business Development

(IBD)

� GermanWaterPartnershipe.V.

� Industrielle Biotechnologie Bayern Netzwerk GmbH –

IBB Netzwerk GmbH

� Innovationsnetzwerk Regeneratives Methanol

Weitere Informationen zu

Netzwerken mit dem IGB

finden Sie unter:

www.igb.fraunhofer.de/netzwerk

Ausgewählte Netzwerke Fraunhofer CBP

� BioEconomy Spitzencluster

� WissenschaftscampusPflanzenbasierteBioökonomieHalle

(WCH)

� Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany

(HYPOS)

� Fraunhofer-Leistungszentrum »Chemie- und Biosystem-

technik«

� ERIFORE – European Research Infrastructure for Circular

Forest Bioeconomy

� SmartPilots Interreg Europe

� COST Action FP1306 »Valorisation of lignocellulosic bio-

mass to Chemicals, Materials and Fuels«

� ZIM-KooperationsnetzwerkeBioraffinerien(BioRaf)und

IberischerDrachenkopf(ProIDRA)

� Wood K plus – Kompetenzzentrum für Holzverbundwerk-

stoffe und Holzchemie

Weitere Informationen zu

Netzwerken mit dem CBP

finden Sie unter:

www.cbp.fraunhofer.de/netzwerk

21

Fraunhofer-Verbünde

� Fraunhofer-Verbund Life Sciences

www.lifesciences.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Verbund Werkstoffe und Bauteile –

MATERIALS (Gast)

www.materials.fraunhofer.de

Fraunhofer-Allianzen

� Fraunhofer-Allianz Bau

www.bau.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Big Data

www.bigdata.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Energie

www.energie.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Food Chain Management

www.fcm.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung

www.generativ.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Nanotechnologie

www.nano.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Photokatalyse

www.photokatalyse.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Polymere Oberflächen POLO®

www.polo.fraunhofer.de

� Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik

www.allianz-reinigungstechnik.de

� Fraunhofer-Allianz SysWasser

www.syswasser.de

� Fraunhofer-Allianz Textil

www.textil.fraunhofer.de

Darüber hinaus forschen Fraunhofer-Institute innerhalb von

Fraunhofer-Forschungsprogrammenzusammen.DasIGBist

an den aktuellen Leitprojekten »Theranostische Implantate«,

»Seltene Erden«, »E3-Produktion« und »Strom als Rohstoff«

beteiligt.

Weitere Informationen zu

Verbünden und Allianzen

mit dem IGB finden Sie unter:

www.igb.fraunhofer.de/netzwerk

FRAUNHOFER-VERBÜNDE UND -ALLIANZEN

Fachl ich verwandte Fraunhofer- Inst itute organis ieren sich in Verbünden, treten gemeinsam am FuE-Markt

aufundwirkeninderFraunhofer-Unternehmenspolit ikmit.Inst itutebzw.Abtei lungenmiteinanderergän -

zenden Kompetenzen kooperieren in Fraunhofer-All ianzen, um ein Geschäf t sfeld gemeinsam zu bearbeiten

undLösungenentlangdergesamtenWer tschöpfungsket tezuvermarkten.DasFraunhofer IGB,demFraun -

hofer-Verbund Life Sciences zugeordnet und aufgrund seiner materialwissenschaftl ichen Ausrichtung zusätz-

l ichGast imVerbundMATERIALS, is tüberdieAll ianzenbestens inderFraunhofer-Gesel lschaf tvernetz t.

22

FORSCHUNG – KOOPERATIONEN UND PROJEKTE

CO2 vernetzt – vom Klimaschädling

zum gefragten Rohstoff

Im Juli 2016 wurde das vom Bundesministerium für Wirtschaft

undEnergie(BMWi)geförderteZIM-Kooperationsnetzwerk

»UseCO2«bewilligt.IndessenRahmenentwickeln19Partner

aus Forschung und Industrie biotechnologische und chemisch-

physikalische Verfahren, um Kohlenstoffdioxid aus der Luft

zu binden und als Rohstoff zur Herstellung von Basis- und

Spezialchemikalien oder Kraftstoffen wieder nutzbar zu

machen.DasFraunhoferIGBistüberseinenStraubingerInsti-

tutsteil Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat am Netzwerk

beteiligt.

Benzinzusatzstoffe aus Zucker

Kraftstoffadditive wie Isooktan werden bisher aus Erdöl

hergestellt.ImAuftragdesfranzösisch-deutschenUnter-

nehmens Global Bioenergies stellt das Fraunhofer-Zentrum

für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna bald

biobasierteZusatzstoffefürBenzinher.DieForscherdesCBP

entwickeln dafür die entsprechenden chemischen Verfahren,

validieren sie und übertragen sie in einen industriellen Maß-

stab.AusgangsstoffistbiobasiertesIsobuten,dasseitHerbst

2016 in einer Pilotanlage hergestellt wird, die Global Bioener-

giesamFraunhoferCBPinstallierthat.

Effektive Polio-Impfstoffe mit Elektronenstrahlen

IneinemvonderBill&MelindaGatesStiftung(BMGF)geför-

derten Projekt wollen vier Fraunhofer-Institute unter Feder-

führung des Fraunhofer IZI seit September 2016 wirksamere

ImpfstoffefürPolioherstellen.DabeisolleinneuesVerfahren

zur Anwendung kommen, das Viren und andere Krankheitser-

reger mit niedrigenergetischer Elektronenbestrahlung inakti-

viert.DerVorteil:DieBestrahlungzerstörtdiezurVermehrung

der Viren notwendige Erbsubstanz, die für die Immunantwort

wichtigen antigenen Strukturproteine bleiben jedoch besser

erhalten.DieBill&MelindaGatesStiftungfördertdasProjekt

mit1,85MioUSD.Zielistes,mitdemneuenVerfahrenKos-

ten bei der Herstellung zu sparen, um auch ärmeren Ländern

den dringend benötigten Zugang zu Polio-Impfstoffen zu

ermöglichen.DieUntersuchungenzurAntigenqualitätdes

neuen Polioimpfstoffes, nach der Inaktivierung des Virus mit-

telsElektronenstrahlen,werdenamIGBerfolgen.

HIGHLIGHTS 2016

1

23

Mehr Nachhaltigkeit in der Forschung

Als Ergebnis des vom Bundesministerium für Bildung und

Forschung(BMBF)gefördertenVerbundprojektsLeNavon

Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft und

Leibniz-Gemeinschaft überreichten die Präsidenten der For-

schungseinrichtungen Bundesforschungsministerin Johanna

Wankaam6.Oktober2016beimBMBF-Symposium»Sustain-

abilityinScience«(SiSi)inBerlindieHandreichung»Nach-

haltigkeitsmanagement für außeruniversitäre Forschungsein-

richtungen«.ZieldesProjekts,andemdasFraunhoferIGB

maßgeblich mitwirkte, war die Entwicklung eines einheitlichen

Verständnisses davon, in welchen Handlungsfeldern außer-

universitäre Forschungseinrichtungen als Organisation und

Arbeitgeber einen Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung

leistenkönnen.

B2U – Personalisierte Produkte als neues

Geschäftsmodell

»Mass Personalization – Mit personalisierten Produkten

zumBusiness-to-User(B2U)«heißteinneuesKonzeptder

StuttgarterFraunhofer-InstituteIPA,IAO,IBPundIGB.Bei

»massenpersonalisierten« Produkten werden die Endverbrau-

cherdieProduktherstellungmitgestalten.InihrerimOktober

2016vorgestelltenStudieidentifiziertendieInstitutedreiBe-

dürfnisfelder,diezukünftigeinezentraleRollespielenwerden:

Mobilität,GesundheitundWohnen.DasKonzeptistauch

Grundlage der Standortinitiative »Leistungszentrum Mass Per-

sonalization«,dasimJuli2017andenStartgehenwird.Die

Fähigkeit, personalisierte Produkte in Stückzahl eins zu den

Kosten eines Massenprodukts und unter Gesichtspunkten der

Nachhaltigkeit zu entwickeln, zu designen und herzustellen ist

dabeidiezentraleHerausforderung.

Pilotanlage zur Herstellung von

»grünem« Wasserstoff entsteht in Leuna

Für die elektrolytische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und

Wasserstoff kann Überschussstrom aus erneuerbaren Energie-

quellengenutztwerden.DerChemieparkLeunabietetbeste

Voraussetzungen für den Aufbau einer Elektrolyse-Test- und

Versuchsplattform:DerWasserstofflässtsichhierdirektindas

Pipelinenetz einspeisen und von ansässigen Chemie-Unterneh-

mennutzen.ImOktober2016übergabJörgFelgner,Minister

für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitalisierung des Landes

Sachsen-Anhalt, die Absichtserklärung zur Finanzierungsbe-

teiligungdesLandes.DiegemeinsameForschungsplattform

des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen

und Systemen IMWS in Halle und des Fraunhofer-Zentrums

für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna soll ab

2018einsatzbereitsein.

21 3

2

3

2 4

FRAUNHOFER IGB INTERNATIONAL

HIGHLIGHTS 2016

Neue EU-Projekte in Horizont 2020

Horizont 2020 ist das achte Rahmenprogramm für Forschung

und Innovation der Europäischen Union und gleichzeitig das

weltweit größte in sich geschlossene Forschungs- und Inno-

vationsprogrammmitfast80MrdEuroFörderungfüreinen

ZeitraumvonsiebenJahrenvon2014bis2020.

Die ersten drei Jahre des siebenjährigen Forschungsrahmen-

programmssindbereitsvergangen.DieKommissionwertet

das Programm und seine Neuerungen in einer Zwischen-

evaluierung aus und die Vorbereitungen für das neunte For-

schungsrahmenprogrammhabenbereitsbegonnen.

Das Fraunhofer IGB konnte sich im Jahr 2016 über die Beteili-

gung an drei weiteren H2020-Projekten freuen, darunter auch

einProjektinkoordinierenderFunktion.WeitereErgebnisse

stehennochaus.

Neue Projekte in der Säule I

»Wissenschaftsexzellenz«

Das Fraunhofer IGB ist auch in Horizont 2020 wieder an

Marie-Skłodowska-Curie-Netzwerkprojektenbeteiligt.Die

Projekte GreenCarbon sowie BIOCLEAN starteten im Oktober

2016.

Ziel dieser Projekte ist es, herausragende Doktorandinnen

und Doktoranden im Rahmen von exzellenten Forschungs-

vorhabenstrukturiertauszubilden.Dieteilnehmenden

ProjektpartnerkommendabeiausunterschiedlichenSektoren.

Die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses erfolgt

intersektoralsowieinterdisziplinär.

GreenCarbon

Im Projekt GreenCarbon werden Karbonmaterialien auf Basis

von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und diese als

Katalysator oder als Adsorbermaterial für Hochleistungsan-

wendungenweiterentwickelt.

BIOCLEAN

Ziel des Netzwerkprojekts BIOCLEAN ist es, dass hochquali-

fizierteNachwuchswissenschaftlerinnenundNachwuchswis-

senschaftler aus den Bereichen Chemie, Ingenieurwesen so-

wie experimenteller Mikrobiologie am Ende ihrer Ausbildung

Biofilmeeffektivmanagenkönnen.

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1

25

Neue Projekte in der Säule II

»Führende Rolle der Industrie«

ELSi

Im Laufe der vergangenen 25 Jahre haben sich Photo-

voltaik(PV)-AnlagenrasantinEuropaverbreitet.Dieersten

dieserPV-SystemeerreichennundasEndeihrerLebensdauer.

Deren Entsorgung stellt eine große Herausforderung dar,

welcheindenkommendenJahrenweiterzunehmenwird.Seit

Mai 2016 widmet sich das industriegetriebene EU-Projekt ELSi

im Rahmen seiner zweijährigen Projektlaufzeit genau dieser

Herausforderung.ELSiisteinFörderprojektderPilotmaßnah-

me»FastTracktoInnovation«.MitdemFraunhoferIGBals

Forschungspartner erarbeitet das ELSi-Team einen vielverspre-

chenden Ansatz zur Rückgewinnung und Wiederverwertung

aller Materialien aus siliziumbasierten Photovoltaik-Modulen

imIndustriemaßstab.

Das ELSi-Projekt wird ein vollständiges Recyclingsystem

demonstrieren und validieren, um damit eine angemessene

Entsorgung von PV-Modulen und die Rückgewinnung wert-

haltigerMaterialienzuermöglichen.

Nose2Brain-patch

Im Januar 2017 wird das von Fraunhofer koordinierte Projekt

N2B-patchseinevierjährigeForschungsarbeitaufnehmen.Ziel

ist die Entwicklung einer intranasalen Applikationsplattform

für Biopharmazeutika, die auf das zentrale Nervensystem wir-

ken.HierbeisolleineinnovativegalenischeFormulierungauf

Biomaterialbasis mit einem speziellen Applikator kombiniert

undalsHydrogelpflasteramRiechepithelzurTherapievon

MultiplerSkleroseappliziertwerden.

Abgeschlossene Projekte aus dem

7. Forschungsrahmenprogramm

ImJahr2016konnteneinigeProjektedes7.Forschungsrah-

menprogrammserfolgreichabgeschlossenwerden.Darunter

unter anderem die vom Fraunhofer IGB koordinierten Pro-

jekte ECOWAMA, NAWADES, REWAGEN, BioEcoSim sowie

HiPerDry.NähereInformationenzudeneinzelnenProjekten

findenSieaufdenjeweiligenProjektwebsitessowieaufder

HomepagedesFraunhoferIGB.

Ausblick

Bereits im Januar 2017 hat sich das Fraunhofer IGB auf weitere

relevante Bekanntmachungen beworben und hofft weiterhin,

einigeinteressanteEU-Projektefürsichgewinnenzukönnen.

Zudem wird mit Spannung das neue Arbeitsprogramm für die

Jahre2018–2020erwartet,welchesimHerbst2017veröf-

fentlichtwerdensoll.

Weitere Informationen zu den

EU-Projekten des Fraunhofer IGB

finden Sie unter:

www.igb.fraunhofer.de/eu

2

2

26

Strategisch vernetzte Netzwerke

Angewandte Forschung für Europa – strategisch

vernetzt

Das Fraunhofer IGB forscht und entwickelt in 72 Projekten

zusammenmitmehrals400Partnernauszahlreicheneuro-

päischen Ländern Lösungen für die Herausforderungen einer

nachhaltigenEntwicklung.ImFokusstehendabeistetsProzes-

se und Produkte für die gesellschaftlichen Bedarfsfelder Ge-

sundheit,UmweltundEnergie.HieristdasIGBeingefragter

Partner für Forschungseinrichtungen und Firmen und agiert

alsbesondersaktiverNetzwerkpartner.

2016 ging das Institut mit dem Ausbau bestehender Netzwer-

ke zu strategischen Initiativen auf europäischer Ebene noch

einenSchrittweiter.HierzugehörenProjektewieERIFORE

(European Research Infrastructure for Circular Forest Bioeco-

nomy),beidemPartnergemeinsameInfrastrukturenfüreine

holzbasierte Bioökonomie bewerten und nachhaltig aufbauen,

oder Interreg SmartPilots, in dem Firmen europaweit vernetzte

PilotanlagenzurressourceneffizientenNutzungangeboten

werden.FürdiesichimAufbaubefindendeForschungsplatt-

form für industrielle Biotechnologie und synthetische Biologie

(IBISBA, Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic

BiologyAccelerator)leistetdasFraunhoferIGBzusammenmit

dem Fraunhofer CBP einen Beitrag zur Entwicklung ressour-

censchonenderundinnovativereuropäischerInfrastrukturen.

Es folgt damit den Vorgaben und Zielen, die die EU-Kommis-

sion durch das Horizont-2020-Forschungsrahmenprogramm

vorgegebenhat:derZusammenführungvonForschungser-

gebnissen aus den vorangegangenen Forschungsrahmenpro-

grammen zu Systemansätzen und deren Implementierung in

einerInnovationsunionEuropa.

Fraunhofer IGB und CBP haben bereits im nationalen Kon-

text profunde Erfahrungen mit der Entwicklung und dem

strategischem Ausbau von Systemansätzen im Themenfeld

Bioökonomie.Siekönnendaherschnelleralsanderenichtnur

Wertschöpfungsketten für Einzelthemen, sondern thematisch

übergreifende Wertschöpfungskreisläufe konzeptionieren und

gemeinsam mit langjährigen Partnern aus Forschung, Politik

undWirtschaftumsetzen.

EU-Politik aktiv mitgestalten

Im Rahmen seiner Mitgliedschaft im Fraunhofer-Netzwerk

International Business Development leistete das Fraunhofer

IGB einen Beitrag zum Thema Internationalisierung europäi-

scherForschungseinrichtungen.DasErgebniseinesdurchdas

JointResearchCentre(JRC)initiiertenunddurchdieEuropean

Association of Research and Technology Organizations

(EARTO)unterstütztenKonzeptswurdeals»PolicyBriefon

the Internationalisation of RTOs« Ende Januar 2017 in Brüssel

vorgestellt.AuchhiergehtesumdiestrategischeVernetzung

existierender Netzwerke und den Aufbau langanhalten-

derressourceneffizienterInfrastrukturenfüreuropäische

Forschungseinrichtungen.

HIGHLIGHTS 2016

1

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27

Dipl.-Agr.-Biol. Sabine Krieg MBA

Internationale Kontakte,

Projekt anbahnung

Telefon+49711970-4003

sabine.krieg@igb.fraunhofer.de

Dipl.-Kffr. Jenny Ullrich

EU-Projekte, Projektmanagement

Telefon+49711970-4070

jenny.ullrich@igb.fraunhofer.de

Internationales Training

Übergang zu einer biobasierten Wirtschaft

15 Mitarbeitende der indonesischen staatlichen Forschungs-

agentur BPPT (Agency for the Assessment and Application

ofTechnology)nahmenimNovember2016aneinemvon

Fraunhofer organisierten Trainingskurs zum Thema »Von der

PetrochemiezurbiobasiertenWirtschaft«teil.DieTeilnehmen-

den absolvierten zunächst eine Trainingswoche am Fraunhofer

WKI in Braunschweig und lernten dort die Grundlagen

nachhaltigerAspektederholzbasiertenÖkonomiekennen.

Danach erhielten sie am Fraunhofer IGB in Stuttgart Einblick

in Labormethoden für die biotechnologische Herstellung

nachhaltiger biobasierter Produkte, um dann am Fraunhofer

CBP mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern Umset-

zungsbeispiele in den großtechnischen Maßstab im Detail zu

diskutieren.ParallelbotdasTrainingGelegenheitzuverschie-

denenFirmenbesuchen.

Kontakt

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2 8

PERSONALIA, PREISE, BEGEGNUNGEN

Erweiterungsbau in Straubing eingeweiht

Mit einem Festakt und dem Symposium »Power-to-X« eröff-

nete der IGB-Institutsteil Bio-, Elektro- und Chemokatalyse

BioCatinStraubingam9.März2016seinenErweiterungsbau.

Zur feierlichen Einweihung kamen Gäste aus Wissenschaft

und Wirtschaft sowie Vertreter aus der Politik nach Straubing,

unter anderem Stefan Müller, Parlamentarischer Staatssekretär

amBundesministeriumfürBildungundForschung(BMBF),

sowie Franz Pschierer, Staatssekretär am Bayerischen Staatsmi-

nisteriumfürWirtschaft,Medien,EnergieundTechnologie.

Honorarprofessur für Dr. Christian Oehr

FürseineVerdiensteanderUniversitätStuttgartwurdeDr.

Christian Oehr im April 2016 durch den Senat der Hochschule

zumHonorarprofessorbestellt.DamitwürdigtdieUniversität

die langjährige Lehrtätigkeit des kommissarischen IGB-

Institutsleiters,derseit1996anderFakultätfürEnergie-,

Verfahrens-undBiotechnikunterrichtet.

GreenTec Award für Anti-Eis-Folien

ImRahmeneinerfeierlichenGalawurdenam29.Mai2016

zum Auftakt der Messe IFAT in München die GreenTec

Awards 2016 verliehen, Europas wichtigste Auszeichnung für

Umwelttechnologie.DasFraunhoferIGBdurftedenzweiten

Preis in der Kategorie »Luftfahrt« für die am Institut entwi-

ckeltenselbsthaftendenAnti-Eis-Folienentgegennehmen.

Förderpreis für internationale Augenforschung an

Katja Schenke-Layland

ImJuni2016wurdeProf.Dr.KatjaSchenke-Laylandmitdem

HaroldF.SpalterInternationalResearchScholarAwardder

amerikanischen Organisation »Research to Prevent Blindness

(RPB)«ausgezeichnet.DerAwardermöglichtesderWissen-

schaftlerin, eine strategische Kooperation mit dem Eye Institu-

te der Keck School of Medicine an der University of Southern

California(USC)aufzubauen.Zielistes,einIn-vitro-Modellder

Tränendrüse zu entwickeln, um stammzellbasierte Therapien

fürMenschenzuentwickeln,dieamSjögren-Syndromleiden.

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1 2

HIGHLIGHTS 2016

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IGB-Ausgründung überzeugt bei

Businessplan-Wettbewerb

Mit der Idee einer zellfreien Proteintherapie nach Herzinfark-

tenplanteinTeamumProf.Dr.KatjaSchenke-Laylanddie

GründungeinesmedizintechnischenStart-ups.Mitihrem

Businessplan sicherte sich das Team im November 2016

denEinzuginsFinaledesCyberOneHightechAwards2016.

Der vom bwcon-Netzwerk ausgeschriebene Preis wird für

besonderszukunftsweisendeGeschäftsideenverliehen.

Geschäftsführer der Ausgründung Renovatum Therapeutics

wird Shannon Layland, als Wissenschaftler ist der Kardiologe

Prof.Dr.AliNsairbeteiligt,kommissarischerDirektorfürdas

Herztransplantationsprogramm an der University of California

inLosAngeles(UCLA).

Heike Walles ist Mitglied bei acatech

Prof.Dr.HeikeWalles,LeiterindesWürzburgerInstitutsteils

des Fraunhofer IGB und des Lehrstuhls für Tissue Engineering

und Regenerative Medizin am Universitätsklinikum Würzburg,

wurde bereits 2015 von der Mitgliederversammlung der Deut-

schenAkademiederTechnikwissenschaften(acatech)alsneu-

esMitgliedgewählt.Anlässlichderacatech-Festveranstaltung

am12.Oktober2016inBerlinüberreichtenihrdieacatech-

PräsidentenProf.Dr.ReinhardF.HüttlundProf.Dr.Henning

Kagermann auf der begleitenden Mitgliederversammlung die

offizielleAufnahmeurkunde.

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NACHWUCHSFÖRDERUNG

Fraunhofer Talent School

Bei der Fraunhofer Talent School in Stuttgart erhalten Schüle-

rinnen und Schüler ab 15 Jahren einen ausführlichen Einblick

indasArbeitenundForschenbeiFraunhofer.DieStuttgarter

Institute bieten ihren Gästen dreitägige Workshops an, in

denensieselbstwissenschaftlicharbeitenkönnen.AmFraun-

hofer IGB tauchten die Schülerinnen und Schüler in die Welt

derMolekularbiologieein.DazuschlüpftensieimWorkshop

»CSI Stuttgart« in die Rolle von Ermittlern und lösten anhand

selbst durchgeführter DNA-Analysen einen spannenden

Kriminalfall.UnterderAufsichtderWissenschaftlerinnen

und Wissenschaftler der Forschungsgruppe Funktionelle

Genomanalysen isolierten die Teilnehmenden DNA aus ihren

Speichelproben und nahmen anschließend eine molekulare

Charakterisierungvor.AufdiesemWegerstelltensieeinen

genetischenFingerabdruck,derdanndieIdentifizierungdes

»Täters«ermöglichte.

www.stuttgart.fraunhofer.de/talents

Girls‘ Day

Der Girls‘ Day richtet sich an junge Mädchen, um diese für eine

Karriere in MINT-Berufen zu motivieren – den Berufen, die

oftmals immer noch als »typisch männlich« wahrgenommen

werden.UmsolcheVorurteileundHemmnisseabzubauen,

rief das Bundesministerium für Bildung und Forschung 2001

denGirls‘DayalsbundesweitenAktionstaginsLeben.Bereits

seit 2003 beteiligt sich auch das Fraunhofer-Institutszentrum

Stuttgart am Girls‘ Day und bietet jedes Jahr ein breitgefächer-

tesProgrammmitFührungenandenInstitutenan.Seither

hat sich die Anzahl der Veranstaltungen und Teilnehmerinnen

stetiggesteigert.ImApril2016kamen63Schülerinnenim

Alter zwischen 10 und 16 Jahren zum Girls‘ Day am Stuttgarter

Fraunhofer-Campus.DasFraunhoferIGBbeteiligtesichindie-

sem Rahmen mit den Führungen »Maßgeschneiderte Gewebe

ausdemLabor«und»DieNaturalschemischeFabrik«.

www.stuttgart.fraunhofer.de/girlsday

BOGY – Berufs- und Studienorientierung an Gymnasium

Für Schülerinnen und Schüler bietet das Fraunhofer-Insti-

tutszentrum Stuttgart jährlich zahlreiche Schülerpraktika im

Rahmender»BerufsorientierungamGymnasium(BoGy)«an.

Damit will Fraunhofer junge Menschen schon frühzeitig für die

Wissenschaftbegeistern.Voraussetzungfüreineinwöchiges

BoGy-Praktikum ist ein besonderes Interesse der Schülerin-

nen und Schüler an natur- und ingenieurwissenschaftlichen

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Heute bereit s an Lösungen für die Herausforderungen von morgen zu arbeiten, is t das Z ie l der Fraunhofer-

Gesel lschaf t . Dasbedeutetauch, schon jet z t dafür zu sorgen,dassauch inZukunf t k lugeKöpfe ihreTa -

lenteindieFraunhofer- Forschunge inbr ingen.Deswegenengagierens ichdasFraunhofer- Ins t i tut szentrum

Stut tgar t unddasFraunhofer IGB inderFörderungdeswissenschaf t l ichenNachwuchses . Sogabesauch

2016 am Stut tgar ter For schungscampus wieder Verans ta l tungen und In i t iat i ven, um Schüler innen und

Schüler für MINT- Fächer zu begeis tern und Studierenden in naturwissenschaf t l ichen Fächern Karr ierechan-

cenbei Fraunhoferaufzuzeigen.

HIGHLIGHTS 2016

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Fächern.AmFraunhoferIGBwarenimJahr2016insgesamt14

BoGy-Praktikantinnen und Praktikanten zu Gast, davon sieben

JungenundebensovieleMädchen.

www.stuttgart.fraunhofer.de/bogy

Wissen schafft Zukunft – Deine Karriere

mit Fraunhofer in Stuttgart

Der jährliche Aktionstag »Checkpoint Zukunft« präsentierte

sich 2016 erstmals in neuem Gewand – unter neuem Titel und

mitüberarbeitetemKonzept.UnterderParole»Wissenschafft

Zukunft« lud das Fraunhofer-Institutszentrum wieder Studie-

rende zu einem Karrieretag auf dem Stuttgarter Forschungs-

campusein.AnstellevonVorträgengabesDiskussionsrunden.

Diese »Insider-Einblicke« boten ihnen die Möglichkeit, mit

Fraunhofer-Mitarbeitenden aus unterschiedlichen Arbeits-

bereichenundKarriereebeneninsGesprächzukommen.

Im Mittelpunkt standen daneben weiterhin die bewährten

FührungendurchdieForschungsabteilungenderInstitute.

Das Fraunhofer IGB beteiligte sich mit den Themen »Tissue

Engineering«und»Algentechnologie«.

www.stuttgart.fraunhofer.de/karrieretag

»Your future in Stuttgart«

Seit zwei Jahren wendet sich die Stadt Stuttgart mit einem

Informationstag speziell an internationale Studierende, die an

denHochschuleninderRegionStuttgarteingeschriebensind.

Das Ziel dieser Veranstaltung ist, talentierte junge Fachkräfte

für eine Karriere in der Stadt und der umliegenden Region

zubegeistern.NebennamhaftenregionalenUnternehmen

beteiligten sich auch die Stuttgarter Fraunhofer-Institute und

boten den Besuchern einen Workshop zum Thema Promotion

beiFraunhoferan.Mitarbeitendeberichtetendabeivonihren

persönlichen Erfahrungen und standen den internationalen

StudierendenRedeundAntwortaufderenFragen.

www.stuttgart.de/en/your-future-in-stuttgart

Duale Ausbildung am Fraunhofer IGB

Als Forschungseinrichtung engagiert sich das Fraunhofer IGB

naturgemäßsehrintensivinderFörderungvonStudierenden.

Doch auch die nicht-universitäre Ausbildung von jungen Frau-

en und Männern nimmt am Institut einen hohen Stellenwert

ein.SogabesimJahr2016insgesamtsechsNeuanstellungen

vonAuszubildenden.ImHerbstbegannendreiBiologielabo-

rantinnen und -laboranten sowie zwei Chemielaborantinnen

und-laborantenihreAusbildungamIGB.UndauchimBereich

derVerwaltunggabesZuwachs:DortstarteteeineneueKol-

leginihreAusbildungzurKauffraufürBüromanagement.

Die Auszubildenden durchlaufen neben der Berufsschule

mehrere Stationen am Institut, sodass sie die vielfältigen Ar-

beitsbereiche einer Forschungseinrichtung kennenlernen, um

sich auf diese Weise für spätere Tätigkeiten in der Forschung

oderinderIndustriezuqualifizieren.SolltensichdieAuszubil-

denden im Anschluss an ihre Ausbildung für ein Studium ent-

scheiden,werdensievomFraunhoferIGBdarinunterstützt.

Neben den naturwissenschaftlichen Ausbildungsberufen im

Forschungsbereich und den kaufmännischen Berufen in der

Verwaltung bietet das Fraunhofer IGB auch im IT-Bereich Aus-

bildungsplätzezumFachinformatikerfürSystemintegrationan.

www.igb.fraunhofer.de/ausbildung

Weitere Informationen zu

Ausbildung und Nachwuchsförderung

am IGB finden Sie unter:

www.igb.fraunhofer.de/karriere

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32

DIE FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT

Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunho-

fer-Gesellschaft.Die1949gegründeteForschungsorganisation

betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der

WirtschaftundzumVorteilderGesellschaft.Vertragspartner

und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunter-

nehmensowiedieöffentlicheHand.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit

69InstituteundForschungseinrichtungen.24500Mitarbei-

terinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder inge-

nieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche

Forschungsvolumenvon2,1MilliardenEuro.Davonfallen1,9

MilliardenEuroaufdenLeistungsbereichVertragsforschung.

Mehr als 70 Prozent dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet

die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie

undmitöffentlichfinanziertenForschungsprojekten.Knapp

30ProzentwerdenvonBundundLändernalsGrundfinanzie-

rung beigesteuert, damit die Institute Problemlösungen entwi-

ckeln können, die erst in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft

undGesellschaftaktuellwerden.

Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungs-

partnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen für

einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwärtigen und

zukünftigenWissenschafts-undWirtschaftsräumen.

Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung

und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltech-

nologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale

RolleimInnovationsprozessDeutschlandsundEuropas.Die

Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten

NutzenfürdieKundenhinaus:MitihrerForschungs-undEnt-

wicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbe-

werbsfähigkeitderRegion,DeutschlandsundEuropasbei.Sie

fördern Innovationen, stärken die technologische Leistungs-

fähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und

sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend benötigten

wissenschaftlich-technischenNachwuchses.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-

Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen

Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten,

anHochschulen,inWirtschaftundGesellschaft.Studierenden

eröffnen sich aufgrund der praxisnahen Ausbildung und

Erfahrung an Fraunhofer-Instituten hervorragende Einstiegs-

undEntwicklungschanceninUnternehmen.

Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer-

Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer

(1787–1826).ErwaralsForscher,ErfinderundUnternehmer

gleichermaßenerfolgreich.

StandderZahlen:Januar2017

www.fraunhofer.de

KOMPETENZEN

33

Joseph von Fraunhofer

(1787 – 1826).

3 4

HäufigmüssenWerkstoffoberflächenoderinnereGrenzflä-

chen andere Eigenschaften aufweisen als sie das Material im

Volumenbesitzt.FürvieleAnwendungensinddieMaterial-

oberflächensogarvonentscheidenderBedeutung,beispiels-

weiseinderMedizintechnikoderbeiAdsorbermaterialien.

Die Abteilung bietet Verfahren an, um Materialien aus der

Gasphase oder nasschemisch zu beschichten, und entwickelt

polymere und anorganische Materialsysteme mit großer

Oberflächewiez.B.Partikel,poröseMembranen,Vlieseund

Schäume–undBiomaterialien,insbesondereHydrogele.Für

die Kontrolle der Prozessschritte und die Charakterisierung

vonMaterialoberflächenstehteineVielzahlanalytischerVer-

fahrenzurVerfügung.NebenderQualitätderProduktesteht

vorallemdieMaterial-undEnergieeffizienzderentwickelten

VerfahrenimVordergrund.

Kompetenzen

� Abscheidung dünner Mono- oder Multischichten aus der

Gasphase(u.a.plasmagestützt)

� ChemischeModifizierungvonOberflächen

(Tauchbeschichtung,Rakelnetc.)

� Herstellung und Beladung funktionaler Nanopartikel

mittels Polymerisationstechniken und Sprühtrocknung

� Phaseninversionsprozesse zur Herstellung polymerer und

keramischer Membranen

� Synthese biokompatibler Polymere, chemische

ModifizierungvonBiomolekülen,Entwicklungvon

Biomaterialien

� AnalysevonGrenzflächenspannung,-topographie,

-adsorption sowie der chemischen Zusammensetzung

vonOberflächen

� Plasma-Prozessdiagnostik

Forschungsschwerpunkte

� Schutz-, Barriere- und Release-Schichten

� Schichten für verbesserte Restentleerbarkeit und

verminderte Eishaftung

� Biofunktionale Beschichtungen

� Formulierung von Biotinten für das Bioprinting

� Wasserreinigung mit Membranen, Adsorbern und

Wasserkontaktplasmen

� Plasmareinigung und -sterilisation

� Nano- / mikrostrukturierte Materialien

� Kern-Schale-Partikel für Stofftrennung und

Formulierungen

� Membranen für die Gastrennung, Vorwärtsosmose,

PEM-Brennstoffzellen und Membranreaktoren

KOMPETENZEN

Hon.-Prof. Dr. Christian Oehr

Abteilungsleiter,

kommissarischer Institutsleiter

Telefon+49711970-4137

christian.oehr@igb.fraunhofer.de

Kontakt

GRENZFLÄCHENTECHNOLOGIE UND MATERIALWISSENSCHAFT

35

apl. Prof. Dr. Steffen Rupp

Abteilungsleiter,stv.Institutsleiter

Telefon+49711970-4045

steffen.rupp@igb.fraunhofer.de

Die Biologisierung der Industriegesellschaft ist einer der wich-

tigenTrendsdes21.Jahrhunderts.MitneuenSequenziertech-

nologien, Proteomanalysen, der gezielten Veränderung von

Organismen aller Art und der Entwicklung enzymatischer oder

fermentativer Produktionsverfahren lassen sich neue Prozesse

für die Herstellung von Fein- und Grundchemikalien, aber

auch für die Entwicklung von Diagnostika und Therapeutika

entwickeln.WirsetzendieseneuenProzessefürdieEntwick-

lung von Diagnostika in der Infektionsforschung und in der

personalisierten Medizin ein, ebenso bei der Entwicklung

antimikrobieller Wirkstoffe und für die Herstellung therapeu-

tischerProteine.ImBereichderindustriellenBiotechnologie

wandeln wir nachwachsende Rohstoffe mit biotechnischen

ProzesseninneueProduktefürdiechemischeIndustrieum.

Kompetenzen

� Molekularbiologische Aufarbeitungen klinischer Proben

� Diagnostische Microarrays

� Next-GenerationSequencing(NGS)

� BioinformatischeWorkflowsfürNGS-Daten

� Herstellung stabiler Zelllinien und Expressionsstämme

� ZellbasierteAssays(GLP)undkomplexe

3D-Infektionsmodelle

� Virusähnliche Partikel und therapeutische Viren

� Proteinreinigung und -charakterisierung

� Stamm- und Enzymscreening

� Entwicklung und Scale-up von Bioprozessen

� Chemisch-physikalische und biochemische Analytik

Forschungsschwerpunkte

� Infektionsbiologie

¡ Mykologie – pathogene Candidaspp.

¡ Virologie – Herpes-Viren, Polio

¡ Wirt-Pathogen-Infektionsmodelle(3D-Gewebemodelle)

¡ Target- und Wirkstoffscreening

� Diagnostik

¡ Diagnostische Microarrays

¡ Next-Generation Diagnostics

¡ Zellbasierte Assays

� Therapeutische Proteine

¡ Produktionszelllinien für die rekombinanten Produktion

vonProteinen(Interferone,FaktorVII)

� Enzymscreening und Charakterisierung

¡ Ligninolytische Enzyme, Hydrolasen, Oxidoreduktasen

� Fermentationsverfahren für die industrielle Biotechnologie

¡ Enzymherstellung

¡ Plattformchemikalien,z.B.Furandicarbonsäure,Itacon-

säure, Äpfelsäure, langkettige Dicarbonsäuren

¡ Mikrobiell hergestellte Biotenside

¡ Scale-up

� Rohstoff- und Reststoffaufbereitung für die industrielle

Biotechnologie

¡ Aufbereitung von Lignocellulose

¡ Fette und Öle

¡ Chitinaufbereitung aus Reststoffen

� Wertstoffgewinnung/Naturstoffisolierung

Kontakt

MOLEKULARE BIOTECHNOLOGIE

3 6

Dipl.-Ing. Siegfried Egner

Abteilungsleiter

Telefon+49711970-3643

siegfried.egner@igb.fraunhofer.de

Die Abteilung Physikalische Prozesstechnik entwickelt ver-

fahrenstechnische Prozesse und Prozesskomponenten, die

auf physikalischen oder physikalisch-chemischen Prinzipien

beruhen.Zieldabeiistes,durchMinimierungdesRohstoffein-

satzes und die Rückgewinnung von Wertstoffen in einer den

Primärrohstoffen ebenbürtigen Qualität sowie durch die Ein-

sparung und Wiedernutzung von Energie industrielle Prozesse

gleichermaßenwirtschaftlichundnachhaltigzugestalten.

Unsere Entwicklungen richten sich einerseits an Hersteller

von Prozesskomponenten und verfahrenstechnische Anlagen-

bauer, andererseits an Anwender aus Industriebereichen wie

Metallverarbeitung, Lebensmittelindustrie, Biotechnologie

oderTrinkwasserversorgung.

Kompetenzen

� Thermische Verfahrenstechnik

� Prozesse und Systeme zur Wärmeübertragung und

Sorption

� AdvancedOxidationProcesses(AOP)mitelektrolytischen

undphotolytischen(UV)Wasseraufbereitungsverfahren

� Elektrophysikalische Stofftrennung

� Prozesse und Verfahren zur Rückgewinnung von

organischen und anorganischen Stoffen für die

Landwirtschaft

� StabilisierungflüssigerLebensmittelundbiogener

Produkte

� Konstruktion und Systemintegration in industrielle

Applikationen

Forschungsschwerpunkte

� Wärmespeicherung mit thermo-chemischen Prozessen für

die zeitlich und räumlich entkoppelte Nutzung von

Abwärme oder solarthermisch erzeugter Wärme

� Abtrennung von Wasserdampf aus Gasen mit Sorptions-

systemen zur Luftentfeuchtung oder Wassergewinnung

� Trocknung mit überhitztem Dampf und integrierter

RückgewinnungflüchtigerStoffe

� Rückgewinnung anorganischer Nährstoffe zur Herstellung

von bedarfsgerechten Düngemitteln

� Herstellung von Bodenverbesserungssubstraten aus

organischen Reststoffen

� Elektrolytische und photolytische Roh- und Prozess-

wasseraufbereitung

� Schonende Stabilisierung von Lebensmitteln mit Druck-

wechseltechnologie(PressureChangeTechnology,PCT)

� PCT-TechnologiefürdeneffizientenAufschluss

mikrobieller Zellen kombiniert mit Extraktion

� Mikrowellentechnik für den gezielten und schnellen

Energieeintrag

KOMPETENZEN

Kontakt

PHYSIKALISCHE PROZESSTECHNIK

37

Die Schwerpunkte der Abteilung liegen in der Entwicklung

(bio-)verfahrenstechnischerProzesseindenBereichenWasser-

management, Bioenergie, Umwelttechnik, Algentechnologie,

Produktgewinnung aus organischen Roh- und Reststoffen

sowiederGrenzflächenbiologie.Ausgehendvondenverfah-

renstechnischen Prozessen werden innovative Ansätze zur Ent-

wicklung von Systemkonzepten für das Energie-, Abfall- und

WassermanagementinIndustrieundKommunenerarbeitet.

Von Bedeutung sind für uns bei der Betrachtung industrieller

ProzessedieAspektederUltraeffizienzundBioökonomie.

Kompetenzen

� Prozessentwicklung in Bioreaktoren vom Labor- bis zum

Pilot- und technischen Maßstab

� Entwicklung und Betrieb von Demonstrationsanlagen für

aerobe und anaerobe Abwasserreinigung, Hochlast-

faulung, Bioenergie, Algentechnik

� Analytik der Substrate und Fermentationsprodukte,

Proteinanalytik

� Echtzeit-Massenspektrometrie

� Isolierung und Aufreinigung biotechnisch hergestellter

Produkte (Membranverfahren, Prozess-Chromatographie,

Flüssig-Flüssig-Extraktion, Extraktion mit überkritischem

CO2)

� Entwicklung und Betrieb von Testapparaturen für

antimikrobiell ausgerüstete Materialien

� Bewertung mikrobieller Kontaminationen

� Prozesssimulation und -automatisierung (Mat-Lab /

Siemens-Programmierung)

Forschungsschwerpunkte

� Methoden der Abwasserreinigung und Wasser-

aufbereitung für Industrie und Kommunen

� Echtzeit-Überwachung von Wasser mit Biosensoren

� Strategien und Techniken zur Nutzung und Vermeidung

vonBiofilmen

� Konzepte zur ressourcenschonenden Produktion in

Unternehmen–Ultraeffizienzfabrik

� Verfahrensentwicklung zur Vergärung organischer

Substrate zu Biogas

� Wertstoffe aus Mikroalgen und Cyanobakterien für die

Branchen Lebensmittel, Futtermittel, Kosmetik, Pharma

und Agrar

� Produktaufarbeitung(DownstreamProcessing)von

Proteinen, Lipiden und Carotinoiden

� Biotransformation organischer Reststoffe und Biogas zu

Basischemikalien

� Bioleaching-, Biosorptions- und Biofällungsverfahren zur

Gewinnung von Wertstoffen aus Reststoffströmen

Dr.-Ing. Ursula Schließmann

Abteilungsleiterin

Telefon+49711970-4222

ursula.schliessmann@igb.fraunhofer.de

Kontakt

UMWELTBIOTECHNOLOGIE UND BIOVERFAHRENSTECHNIK

3 8

Die Abteilung adressiert Fragestellungen im Tissue Engineer-

ingundinderregenerativenMedizin.EinSchwerpunktliegt

auf der Entwicklung innovativer Biomaterialien für die Medi-

zintechnik.Zielistes,aussagefähigehumaneTestsystemeals

ErsatzmethodenfürTierversuchezuetablieren.Sonutzenwir

für die Kosmetika- und Wirkstoffentwicklung humane primäre

Zellen sowie adulte, embryonale oder induziert-pluripotente

Stammzellen,um2D-und3D-In-vitro-Gewebeaufzubauen.

MithilfemikrofluidischerSystemebildenwirzudemdiekleins-

te funktionelle Einheit eines Gewebes als Organ-on-a-Chip

nach, um sie für das Hochdurchsatz-Screening potenzieller

Wirkstoffeweiterzuentwickelnundzuvalidieren.

Kompetenzen

� TissueEngineeringmithumanengewebespezifischen

Primärzellen sowie adulten, embryonalen* und induziert-

pluripotentenStammzellen(iPS-Zellen)zumAufbau

dreidimensionaler Gewebemodelle

� Patentiertes, humanes 3D-Hautäquivalent

� MikrofluidischeOrgan-on-a-Chip-Systeme

� Akkreditierte Prüfung der Zytotoxizität von Forschungs-

undIndustrieprodukten(DINISO10993-5)

� Akkreditierte Prüfung der Phototoxizität von Substanzen

� EntwicklungundModifizierungvonBiomaterialien

(Elektrospinnen,Hydrogele,extrazelluläreMatrix(ECM))

� Herstellung humaner rekombinanter extrazellulärer

Matrixproteine

� Nicht-invasive Charakterisierung von Zellen und Geweben

mittels Raman-Mikrospektroskopie

* GenehmigungdurchRobertKoch-InstitutAZ:3.04.02/0086und

3.04.02/0111

Forschungsschwerpunkte

� DesignundModifikationbiokompatiblerHybrid-

Materialien als Trägersubstrate für die Medizintechnik

� Untersuchung von Zell-Material-Interaktionen

� Klick-Chemie zur Kopplung von extrazellulärer Matrix an

Oberflächen

� Aufbau verschiedener Hautmodelle als Testsysteme für

Kosmetika und Wirkstoffe

� Validierung und Parallelisierung von Organ-on-a-Chip-

Systemen(Herzmuskel,weißesFettgewebe)fürdie

Arzneimitteltestung

� Bioprinting humaner 3D-Gewebe

� KardiovaskuläresTissueEngineering:Testgewebe,

regenerative molekulare und Zelltherapien sowie

Implantate für Herzmuskel, Blutgefäße und Herzklappen

Prof. Dr. rer. nat. Katja Schenke-

Layland

Abteilungsleiterin,

kommissarische Institutsleiterin

Telefon+49711970-4082

katja.schenke-layland@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Petra Kluger

Abteilungsleiterin

Telefon+49711970-4072

petra.kluger@igb.fraunhofer.de

KOMPETENZEN

Kontakt

ZELL- UND TISSUE ENGINEERING

39

Das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische

Prozesse CBP entwickelt und skaliert chemische und biotech-

nologische Verfahren zur Nutzung nachwachsender und pe-

trochemischer Rohstoffe von der Rohstoffaufbereitung, über

verschiedene Konversionsprozesse bis zur Abtrennung und

AufarbeitungderProdukte.DabeischließtdasFraunhoferCBP

mit seiner apparatetechnischen Ausstattung im Pilotmaßstab

dieLückezwischenLaborundindustriellerUmsetzung.Durch

dieBereitstellungvonInfrastrukturundflexibeleinsetzbaren

TechnikumsanlagensowiehochqualifiziertemPersonalermög-

licht es Partnern aus Forschung und Industrie, biotechnologi-

sche und chemische Prozesse zur Nutzung nachwachsender

und petrochemischer Rohstoffe bis in produktionsrelevante

Dimensionen zu skalieren und Verfahrensentwicklungen zu

beschleunigen.

Kompetenzen

� Rohstoffaufbereitung – integrierte Pilotanlage für den

Aufschluss von Lignocellulosen

� Biotechnologische Verfahren – modular einsetzbare

Prozesskapazitäten zur Lösung verfahrenstechnischer

Fragestellungen bis 10 m3 Reaktorvolumen,

� Chemische Verfahren – kontinuierliche Anlagen mit

Durchsätzen bis 20 kg / h und Batchreaktoren bis 1 m3

auch unter hohen Prozessdrücken oder ATEX-

Anforderungen

� Produktaufarbeitung zur Abtrennung und Aufreinigung

derWertstoffe,z.B.durchDestillationoderExtraktion

Forschungsschwerpunkte

� Gewinnung hochwertiger Extraktstoffe aus biogenen

Roh- und Reststoffen

� Aufschluss von Lignocellulosen, Fraktionierung und

stofflicheNutzungderKomponenten

� Prozessentwicklung zur Darstellung neuer technischer

Enzyme

� FunktionalisierungundModifikationdurchEnzymkatalyse

� HerstellungbiobasierterAlkohole,SäurenundOlefine

durch Fermentation und chemische Verfahren

� Kultivierung von Mikroalgen zur Gewinnung hochwertiger

Inhaltsstoffe

Fraunhofer-Zentrum für

Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP

Am Haupttor | Tor 12, Bau 1251

06237 Leuna

Fax+49346143-9199|www.cbp.fraunhofer.de

Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach

Leiter des Fraunhofer CBP

Telefon+49346143-9101

gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de

Kontakt

FRAUNHOFER-ZENTRUM FÜR CHEMISCH- BIOTECHNOLOGISCHE PROZESSE CBP

4 0

Im Institutsteil BioCat steht die Entwicklung neuer Bio- und

chemischer Katalysatoren und deren Anwendung in technisch

relevanten synthetischen und elektrochemischen Verfahren

imFokus.AusgehendvonSubstratenwieBiomasse,CO2,

organischen und anorganischen Reststoff- oder Abfallströ-

men nutzen wir das komplette Spektrum der Katalyse, um

nachhaltig und ressourcenschonend neue chemische Produkte

herzustellen.BeiderNutzungpflanzlicherBiomasseistes

dasZiel,diestofflicheVielfaltbiobasierterMolekülesinnvoll

zu nutzen und das Potenzial von chemischer Katalyse und

Biokatalyse auszuschöpfen, um eine schonende Umwandlung

unterErhaltwichtigerFunktionalitätenzuerreichen.Daneben

erarbeitet BioCat neue katalytische Verfahren zur Herstellung

längerkettiger Kohlenwasserstoffe, um Strom aus der regene-

rativen Energieerzeugung chemisch speichern und bei Bedarf

nutzenzukönnen.

Kompetenzen

� Chemische(homogeneundheterogene)Katalyse,

Biokatalyse(Enzyme,Ganzzellkatalyse),Elektrokatalyse,

Katalysatorscreening und organische Synthese

� Molekularbiologische und technische Optimierung von

Enzymen und Enzymreaktionen

� Analytik von Naturstoffen und chemischen Reaktionen

(u.a.hochauflösendeNMR,Hochdurchsatz-LC-MS,

GC-MS)

Forschungsschwerpunkte

� Biotechnologische,chemischeundelektro(bio)chemische

Katalyse

� Spezial- und Feinchemikalien aus CO2, Terpenen, Lignin

und chitinhaltigen Abfällen, beispielsweise transparente

Biopolyamide aus Terpenen

� SchmiermittelundbiobasierteTensideauspflanzlichen

Ölen und Fettsäuren

� Integration biogener Rohstoffe in bestehende Prozesse

� Erschließung anorganischer Sekundärrohstoffquellen

� Herstellung von mittel- bis langkettigen chemischen

Energiespeichern aus Methan und / oder CO2

KOMPETENZEN

BIO-, ELEKTRO- UND CHEMOKATALYSE BIOCAT, INSTITUTSTEIL STRAUBING

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und

Bioverfahrenstechnik IGB

Bio-, Elektro- und Chemokatalyse BioCat,

Institutsteil Straubing

Schulgasse11a|94315Straubing

Fax+499421187-310|www.biocat.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Volker Sieber

Leiter BioCat

Telefon+499421187-300

volker.sieber@igb.fraunhofer.de

Kontakt

41

Das Translationszentrum entwickelt biologisierte Medizinpro-

dukte und zellbasierte Therapien zur individualisierten Pati-

entenversorgung mit dem Ziel eines zügigen Transfers in die

medizinischeAnwendung.Infrastrukturenfürdiepräklinische

undklinischeTestung,dieCE-ZertifizierungunddieZulassung

derneueninnovativenTherapienwurdenetabliert.EinFokus

hierbei liegt auf der Entwicklung digitaler, transferierbarer Do-

kumentationssysteme.KlinischeSchwerpunktesindinnovative

Implantate und neue Therapien für den Bewegungsapparat

sowieonkologischeErkrankungen.

Kompetenzen

� VorbereitungundBegleitungderCE-Zertifizierungenund

Zulassungen von Implantaten

� Beratung von KMUs zum Arzneimittel- und

Medizinproduktegesetz

� Entwicklung von GxP-Prozessen und

Dokumentationssystemen(auchtransferierbar)

� Zellkulturtechnik:primäreZellen,Stammzellen,iPS-Zellen–

Aufbau von Kokulturen und Gewebemodellen

� EntwicklungspezifischerBioreaktoren,Sensorenund

Inkubatoren für das Tissue Engineering

� Humanevaskularisierte(Tumor-)Gewebemodellezur

Optimierung von Medizinprodukten, zur Etablierung

individueller Diagnostika und personalisierter Therapien,

auch ATMPs

� Entwicklung von Technologien für das Tissue Engineering

und die regenerative Medizin

Forschungsschwerpunkte

� Validierung und Standardisierung von humanen

Gewebemodellen

� Entwicklung humaner Krankheits- und Infektionsmodelle

� EntwicklunghumanervaskularisierterTumormodelle:

Melanom, Dickdarm-, Mamma- und Lungenkarzinom

� Untersuchung von Stroma-Tumor-Interaktionen zum

Wirkstoffscreening

� Einsatz der In-vitro-Modelle bei der Verfahrensentwicklung

zur Optimierung von Wirkstoffen, Medizinprodukten oder

Implantaten

� GMP-Prozessentwicklung, Dokumentation und

Vorbereitung der Zulassungsverfahren

� Personalisierte therapiebegleitende In-vitro-Diagnostik

TRANSLATIONSZENTRUM »REGENERATIVE THERAPIEN«, INSTITUTSTEIL WÜRZBURG

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und

Bioverfahrenstechnik IGB

Translationszentrum »Regenerative Therapien für

Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen«,

Institutsteil Würzburg

Röntgenring11|97070Würzburg

Prof. Dr. hum. biol. Heike Walles

Telefon+4993131-88828

Fax+4993131-81068

heike.walles@igb.fraunhofer.de

Kontakt

4 2

Das IGVP gehört zur Fakultät Energie-, Verfahrens- und Bio-

technik der Universität Stuttgart und nutzt moderne Labors,

Technika und Werkstätten für interdisziplinäre ingenieur- und

naturwissenschaftliche Forschung an den drei Standorten

Nobelstraße12,Allmandring5bundPfaffenwaldring31.

DasForschungsbudget2016betrug2,57Mio€.Ende2016

arbeiteten75MitarbeiterinnenundMitarbeiter,davon40

DoktorandinnenundDoktorandenamInstitut.55Studierende

habenihreAbschlussarbeit(Master-/Bachelor-Arbeit)am

IGVPangefertigt.

Forschung

Das IGVP widmet sich insbesondere der Gestaltung funktio-

nalerMaterialienundderenGrenz-undOberflächen,denbio-

logischenWechselwirkungenansolchenGrenzflächensowie

derVerfahrensentwicklunggrenzflächenbestimmterProzesse.

In der Plasmatechnologie werden Niedertemperaturplasmen

zurOberflächenaktivierungeingesetzt,MikrowellenzurSta-

bilisierung von Hochtemperaturplasmen in der fusionsorien-

tierten Plasmaphysik sowie Plasmen und elektromagnetische

Wellen in ihren dynamischen Eigenschaften analysiert und

modelliert.DieZusammenarbeitmitdemFraunhoferIGB

ermöglicht die Durchgängigkeit der Forschung von der Grund-

lagenforschungbiszurAnwendung.

Lehre

Das IGVP beteiligt sich intensiv an der Lehre in Master- und

Bachelorstudiengängen der Universität Stuttgart wie Verfah-

renstechnik, Medizintechnik, Technische Biologie, Energie-

technik, Erneuerbare Energien, Umweltschutztechnik, WASTE

u.v.m.

Thematische Schwerpunkte

� Nanomaterialien und Nanotechnologie

� Biomaterialien und Biotechnologie

� Nachwachsende Rohstoffe, Industrielle Biotechnologie

und Bioenergie

� Plasmatechnologie und Plasmaphysik

Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und

Plasmatechnologie IGVP

Universität Stuttgart

Pfaffenwaldring31|70569Stuttgart

Fax+49711970-4006|www.igvp.uni-stuttgart.de

apl. Prof. habil. Dr. rer. nat.

Günter Tovar

Institutsleiter(kommissarisch)

Telefon+49711970-4109

guenter.tovar@igvp.uni-stuttgart.de

Dr.-Ing. Matthias Walker,

Akademischer Oberrat

Verwaltungsleiter

Telefon+49711685-62300

matthias.walker@igvp.uni-stuttgart.de

KOMPETENZEN

INSTITUT FÜR GRENZFLÄCHENVERFAHRENS-TECHNIK UND PLASMATECHNOLOGIE IGVP

Kontakt

4 3

AUSGEWÄHLTE FORSCHUNGSERGEBNISSE 2016

75Industrieprojekte AUSGEWÄHLTE FORSCHUNGSERGEBNISSE 2016

26 Fraunhofer-interne Projekte

40 von Bundesministerien geförderte Projekte

5 von Bundesländern geförderte Projekte

24 EU-Projekte

10 Projekte mit Universitäten und Kommunen oder von Stiftungen gefördert

4 Fraunhofer-Leitprojekte

184 Projekte

4 6

GESUNDHEIT

49

Eine schnellere und genauere Diagnostik mittels molekular-

biologischer Ansätze, neue Heilungschancen durch die rege-

nerative Medizin und individualisierte Therapieansätze – unter

anderem durch ein abgestimmtes Wechselspiel zwischen

(biologisiertem)ImplantatundphysiologischemUmfeld–sind

wissenschaftliche Trends, die vor dem Hintergrund einer

gestiegenenLebenserwartunganBedeutunggewinnen.

Damit einher geht die Notwendigkeit, die Wirksamkeit von

Medikamenten zu erhöhen, beispielsweise durch optimierte

Formulierungen und die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen

anihremWirkort.

In diesen Themenfeldern erarbeitet das Fraunhofer IGB

Lösungen mit dem Ziel, die medizinische Versorgung von

Patienten zu verbessern und gleichzeitig Kosten im Gesund-

heitswesensenkenzukönnen.EinSchwerpunktistdabeidie

Entwicklung dreidimensionaler organoider In-vitro-Modelle

aus menschlichen Geweben, die bereits in der präklinischen

Forschung Aussagen über Wirkung und Nebenwirkung

potenzieller Wirkstoffkandidaten erlauben – und Tierversuche

ersetzenkönnen.

Dem gestiegenen Gesundheitsbewusstsein tragen wir mit

neuen produktschonenden Extraktions-, Aufarbeitungs- und

Stabilisierungsverfahren für Lebensmittel Rechnung, die sich

auch für Kosmetika einsetzen lassen

Vernetzung und Kooperation

Mit unseren Kompetenzen tragen wir zum Angebot des

Fraunhofer-Verbunds Life Sciences bei, die Wirkstoffentwick-

lung von ersten Screenings bis zur Herstellung von Prüfmus-

ternabdeckenzukönnen.AlsPartnerderFraunhofer-Allianz

Food Chain Management leisten wir mit der Entwicklung

schonender Verarbeitungsprozesse für Lebensmittel einen

BeitragzurGesundheitsvorsorge.Darüberhinaussindwirin

den Fraunhofer-Allianzen Big Data und Generative Fertigung

vernetzt.

47

Beschichtungen und Biomaterialien für die Medizintechnik

Bei der Herstellung von Medizinprodukten spielen die Eigenschaften der verwendeten Materia-

lien und die Wechselwirkung zwischen Material und biologischem System eine entscheidende

Rolle.DasFraunhoferIGBentwickeltbioaktive,biokompatibleoderbioinerteMaterialienfür

denEinsatzinMedizinundMedizintechnik,z.B.fürStents,KatheterundImplantate.DieBio-

kompatibilität der Materialien testen wir mit einem akkreditierten Prüfverfahren nach DIN EN

ISO10993-5.FürImplantateuntersuchenwirZell-Material-Wechselwirkungenundentwickeln

Materialien wie elektrogesponnene, bioabbaubare Fasern oder Hydrogele, die zu Biotinten für

dieadditiveFertigungvonGewebemodellenweiterentwickeltwerden.Nebenbiologischen

Trägern entwickelt das Fraunhofer IGB auch miniaturisierte Röhrchen – als künstliche Versor-

gungssystemefürgrößereGewebemodelle.

Personalisierte Medizin

Im Bereich der personalisierten Medizin entwickeln wir zellbasierte Therapeutika, autologe

TransplantateundbiologisierteImplantate.DasFraunhoferIGBundseinInstitutsteilWürzburg

mit dem Translationszentrum »Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale

Erkrankungen« können die Wertschöpfungskette der Medizin bis zur GMP-konformen Herstel-

lungzellbasierterTherapeutikaundImplantate(ATMPs)und,gemeinsammiteinemÄrztenetz-

werk,StudienderklinischenPhaseIabbilden.KontaminationenderImplantateanalysierenwir

zerstörungsfreimitspektroskopischenundmultiphotonenmikroskopischenMethoden.Einen

neuenAnsatzzurHerstellungformstabilergewebeähnlicherStrukturen(Knorpel,Fettgewebe)

verfolgenwirmitdem3D-DruckvonZellenaufUV-vernetzbareHydrogele.FürdenAufbau

patienten-undkrankheitsspezifischerTestsystemearbeitetdasFraunhoferIGBaniPS-basierten

Organ-on-a-Chip-Systemen.

Molekulare Diagnostik

Für eine möglichst eindeutige Diagnose entwickeln wir am Fraunhofer IGB neue, molekular-

biologische Technologien – auf Nukleinsäurebasis (Microarrays, Nachweis auf Basis der DNA-

Hochdurchsatzsequenzierung)odermittelszellulärerReportersysteme(Pyrogen-Assay-System).

MithilfedieserInformationenkönnenMaßnahmenfüreinespezifischeBehandlungeingeleitet

oder personalisierte Medikamente für unterschiedliche Bevölkerungsgruppen entwickelt wer-

den.SpeziellzurBekämpfungvonInfektionskrankheitenführtdieKombinationvonMethoden

der funktionellen Genomanalyse mit unserer Expertise in der Zellkulturtechnik und der Infekti-

onsbiologie zu einem Alleinstellungsmerkmal in der Entwicklung von Infektionsmodellen und

Diagnostika.BasierendaufderRaman-Mikrospektroskopiehabenwireinevielseitigeinsetz-

bare nicht-invasive, markerfreie Diagnostikmethode zur Zell- und Gewebeanalyse in Echtzeit

etabliert.

4 8

Wirkstoffentwicklung

Mithilfe DNA-basierter Technologien und humaner Gewebemodelle klären wir Wirt-Pathogen-

Interaktionen auf, um neue Zielstrukturen für Antibiotika und zur Unterstützung der eigenen

Immunabwehrzuidentifizieren.PotenzielleWirkstoffeuntersuchenwirmitzellbasierten

Assays,z.B.fürimmunmodulatorischeSubstanzen,aufderGrundlagevonStruktur-Wirkungs-

beziehungen.FürdieUntersuchungvonWirkungundNebenwirkungenpotenziellerWirkstoffe

entwickeln wir dreidimensionale In-vitro-Gewebemodelle und Organ-on-a-Chip-Systeme auf

BasishumanerprimäreroderiPS-Zellen,dieTierversucheersetzenkönnen.Zudemerarbeiten

wirVerfahrenzurHerstellungvonPharmaproteinen:vonderEtablierungneuerExpressionsvek-

toren,überdieStammentwicklungbishinzurAufreinigungderPharmazeutika.

Formulierung und Freisetzungssysteme

Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von funktionellen Inhaltsstoffen oder Wirkstof-

fen ist der Transport der Substanzen an ihren Zielort, beispielsweise in ein Gewebe oder eine

Zelle.AmFraunhoferIGBentwickelnwirStrukturen,dieStoffegezieltzumWirkorttranspor-

tieren(DrugDelivery)unddortkontrolliertabgeben(DrugRelease).DenWirkstoffformulieren

wir beispielsweise in eine Matrix, die aus biobasierten, polymeren oder silikatischen Materialien

inFormvon(Nano-)PartikelnoderSchichtenbesteht.HierzunutzenwirverschiedeneVerfah-

ren, wie beispielsweise Sprühtechnologien, Lösungsmittelverdampfung, Emulsionen oder Dis-

persionen.EinenneuenAnsatzzumVerpackenundzumgezieltenTransportvonWirkstoffen

verfolgenwirmitvirusähnlichenPartikeln(Virus-likeParticles)alsVehikel.

Lebensmittel und Kosmetik

In diesem Themenfeld ist unser Ziel, funktionelle Inhaltsstoffe aus biogenen Roh- oder Rest-

stoffen, Zwischenprodukten der Agrar- und Lebensmittelproduktion und Mikroalgen zu gewin-

nen.HierzuentwickelnwirproduktschonendeVerfahrenzurExtraktion(überkritischeFluide,

HochdruckinKombinationmitDruckwechseltechnik)undreinigendieProduktemitelektro-

phoretischenundmechanischenTrennverfahrenauf.Zudemerarbeitenwirneuephysikalische

Verfahren zur Stabilisierung und Konservierung von Lebensmitteln, Kosmetika und Arzneistof-

fensowiepflanzlichenExtrakten.DadieVerfahrenbeiniedrigenTemperaturenarbeiten,wird

diebiologischeFunktionwertvollerInhaltsstoffe,etwavonVitaminen,nichtbeeinträchtigt.

5 0

Relativer Anteil der Gesamtbiomasse in g kg–1

Relativer Wert der Gesamtbiomasse in € kg–1

WERTSTOFFE AUS MIKROALGEN FÜR DIE LEBENSMITTELANWENDUNGFel ix Derwenskus, Ulr ike Schmid-Sta iger

Mikroalgen – Integrierte Nutzung für die Ernährung

Mikroalgen können, basierend auf CO2 und Sonnenlicht, eine

Vielzahl von Stoffen bilden, welche für den Nahrungs- und

Futtermittelsektor sowie für Kosmetikunternehmen interes-

santsind(Abb.4).NebenungesättigtenOmega-3-Fettsäuren

wie Eicosapentaensäure (EPA; C20:5n-3)leisteninsbesondere

photosyntheseassoziierte Pigmente, beispielsweise Fucoxan-

thin oder Lutein, sowie Phytosterole einen großen Beitrag zur

WertschöpfungausAlgenbiomasse.VieleInhaltsstoffeweisen

gesundheitsfördernde Eigenschaften auf, die für die Ernäh-

runggenutztwerdenkönnen.

Die große Bandbreite der Inhaltsstoffe und die unterschied-

liche Zusammensetzung verschiedener Mikroalgenspezies

macheneinegezielteAufarbeitungderBiomassenotwendig.

Dabei ist das primäre Ziel, hochwertige Bestandteile effektiv

zu gewinnen und zugleich die technofunktionellen und ernäh-

rungsphysiologischenEigenschaftenderProduktezuerhalten.

Im Rahmen des Forschungsprogramms Bioökonomie Baden-

Württemberg wird im Forschungsverbund »Mikroalgen – Inte-

grierte Nutzung für die Ernährung« die möglichst vollständige

Verwertung der verschiedenen Fraktionen, in Koppel- und

Kaskadennutzung, angestrebt, um nachhaltige Prozesse für

dieBioökonomiezuentwickeln.

Aufarbeitung von Algeninhaltsstoffen

Drei Mikroalgenstämme (Phaeodactylum tricornutum,

Chlorella vulgaris und Nannochloropsis oceanica)wurden

ausgewählt, welche sich grundlegend in Größe, Zellwandauf-

bauundInhaltstoffenunterscheiden.DurchdieKombination

aufeinanderfolgender Extraktionsverfahren sollen aus der

Mikroalgenbiomasse, neben mittel- und hochpreisigen

Bestandteilen wie EPA und den Carotinoiden, auch die

Hauptfraktionen, bestehend aus Proteinen sowie unpolaren

Triglyceriden,sequenziellfraktioniertwerden.DieAufarbei-

tungstechnik wird prinzipiell bestimmt durch den chemischen

CharakterunddieMarktspezifikation,etwademgeforderten

ReinheitsgraddesProduktes.Hinzukommteineschonende

Extraktion, die sowohl die Funktionalität der Produkte erhält,

alsauchdieGewinnungweitererZellkomponentenerlaubt.

Zudem soll ein energieaufwendiger Trocknungsschritt weitest-

gehendvermiedenwerden.

Selektive Extraktion und Scale-up der Verfahren

Zum Einsatz kommt hierbei insbesondere die als »Pressurized

LiquidExtraction«(PLE)bezeichneteHochdruck-Flüssigextrak-

tion, welche die Extraktion feuchter Biomasse mit geeigneten

organischenLösungsmittelnerlaubt.DieExtraktionseigen-

schaften ausgewählter Lösungsmittel unter Druck bei ver-

schiedenenExtraktionsbedingungen(z.B.Extraktionstempe-

ratur)wurdenhierzuamFraunhoferIGBuntersucht(Abb.1).

Im Anschluss an die bereits durchgeführte Optimierung der

Extraktionsparameter im Labormaßstab wird zurzeit in Koope-

ration mit den Verbundpartnern der Universität Hohenheim

ein Scale-up dieses PLE-Verfahrens in den Technikumsmaßstab

durchgeführt.

Eine Alternative zur PLE stellt die Extraktion mit überkritischen

Fluiden(engl.SupercriticalFluids,SCF)dar.ZurErhöhungder

Polarität können den überwiegend unpolaren überkritischen

Fluiden(z.B.Kohlenstoffdioxid)Co-SolventenwieEthanol

zugesetztwerden.DasunterschiedlicheExtraktionsverhalten

ohne und mit Co-Solvent wird gezielt auch für die Separation

(Kaskadenextraktion)vonunpolarenTriacylglyceridenund

321

P. t

rico

rnu

tum

Protein (löslich)

Protein (unlöslich)

0

0

5

100

10

200

15

300

20

400

25

500

30 35 40

600

Omega-3-Fettsäuren / EPA

Fucoxanthin

Lutein

51

Dr. rer. nat. Ulrike Schmid-Staiger

Telefon+49711970-4111

ulrike.schmid-staiger@igb.fraunhofer.de

Felix Derwenskus M. Eng.

Telefon+49711970-4074

felix.derwenskus@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

DasProjektwirdamInstitutfürGrenzflächenverfahrenstechnik

und Plasmatechnologie IGVP, dem Partnerinstitut des Fraunhofer

IGBanderUniversitätStuttgart,bearbeitet.Wirdankender

Baden-Württemberg-Stiftung und dem Ministerium für Wissen-

schaft und Kunst Baden-Württemberg für die Förderung des

Projekts»Mikroalgen–IntegrierteNutzungfürdieErnährung.

Teilprojekt Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktions-

verfahren zur Kaskadennutzung von Mikroalgenbiomasse«

im Forschungsprogramm Bioökonomie Baden-Württemberg,

Förderkennzeichen7533-10-5-93.

Projektpartner

Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und

Biotechnologie | Universität Hohenheim, Institut für Ernährungs-

medizin | Max-Rubner Institut für Ernährung und Lebensmittel,

Karlsruhe

Weitere Informationen

www.bioeconomy-research-bw.de/mikroalgen_ziele

polaren Lipiden wie Eicosapentaensäure oder Carotinoiden

(z.B.Fucoxanthin)genutzt.AmFraunhoferCBPbesteht

die Möglichkeit, dieses Verfahren in den Pilotmaßstab zu

übertragen.

Ernährungstechnologische Untersuchungen der

gewonnenen Fraktionen

Gemeinsam mit den Partnern aus dem Verbundprojekt erfolgt

begleitend eine ernährungsphysiologische Untersuchung der

gewonnenenExtrakteu.a.hinsichtlichdergesundheitsför-

dernden antioxidativen und antiproliferativen Eigenschaften

sowiederBioverfügbarkeitderInhaltsstoffe.Diegewonnenen

Daten können eine Basis für die rechtliche Zulassung von ver-

schiedenen Mikroalgenspezies sowie deren Extrakten für die

Humanernährungdarstellen.

Ausblick

Am Ende der Projektlaufzeit soll eine Methodenmatrix für

die Aufarbeitung von Algenbiomasse zur Verfügung stehen,

die auf Biomasse verschiedener Algenspezies, mit jeweils

unterschiedlicherstofflicherZusammensetzungundmitunter-

schiedlichenZielfraktionen,übertragenwerdenkann.Damit

wäre man dem Ziel, Mikroalgen ganzheitlich für die Ernährung

zu nutzen, als wichtigem Baustein der Bioökonomie, einen

großenSchrittnäher.

1 Zusammensetzung und Wertschöpfung von

Phaeodactylum-Biomasse.

2 Fettsäure-Extraktion aus Phaeodactylum-

tricornutum-Biomasse mittels PLE.

3 Fucoxanthin, extrahiert aus Phaeodactylum-

tricornutum-Biomasse mittels PLE.

4 Potenzielle Mikroalgeninhaltsstoffe.

� Proteine mit allen essentiellen Aminosäuren

� teilweise löslich und teilweise partikulär gebunden

bis zu 50 % der Trockenmasse

Proteine

Glyco- und Phospholipide � biszu40%derFettsäurensindmehrfachungesättigt,z.B.Eicosapentaensäure(EPA)

bis zu 7 % EPA in der Trockenmasse

Membranlipide

Speicherprodukte�� α-(1-4)-Glucane,β-(1-3)-Glucane � Fructane � Glycerin

bis zu 50 % der Trockenmasse

Kohlenhydrate

Speicherlipide � Triglyceride mit hauptsächlich

C16- bis C18-Fettsäuren

bis zu 70 % der Trockenmasse

Triglyceride

� Carotinoidez.B.Astaxanthin,Fucoxanthin, Lutein

� Phytosterole (C28, C29),Vitamineund Antioxidantien

� anti-fungisch, -viral und -mikrobielletwa 1 – 5 % der Trockenmasse

Wertstoffe

4

52

GESUNDHEIT

HAUTMODELLE UNTERSCHIEDLICHER KOMPLEXITÄT FÜR FORSCHUNG, ENTWICKLUNG UND PRÄKLINISCHE STUDIENSiby l le Thude, K ir s t in L inke, Petra K luger

3D-Gewebemodelle für Substanztests

Die Abteilung Zell- und Tissue Engineering ist auf die Entwick-

lungmenschlicherdreidimensionalerGewebespezialisiert.

Die3D-AnordnungbeeinflusstwesentlicheZellparameterwie

Stoffwechselaktivität, Lebensfähigkeit, Teilung, Morphologie

und Differenzierungsstatus und damit die Funktion des

GewebesalsTestmodell.NachvielenJahrenderEntwicklung

hat das Fraunhofer IGB mehrere dreidimensionale menschliche

Hautäquivalente etabliert, die sich in der Art und Anzahl

integrierter Zelltypen und damit in ihrer Komplexität unter-

scheiden.HierdurchkönnenwirunterschiedlicheSubstanzen

an gesunden oder krankhaften Gewebemodellen untersu-

chen und damit helfen, neue therapeutische Strategien zu

entwickeln.

Epidermis- und Vollhaut-Modelle als Basis

Daseinfache,gutstratifizierteEpidermismodellunddas

Vollhautmodell mit eingebetteten Fibroblasten sind etablierte

In-vitro-Hautmodelle, mit deren Hilfe biologische Reaktionen

auf Substanzen und deren Formulierungen evaluiert werden

können.EineVielzahlvonUntersuchungenzurSicherheits-

und Risikobewertung, die Betrachtung von Zell-Zell- und Zell-

Matrix-Interaktionen oder des Differenzierungsverhaltens kön-

nendurchgeführtwerden.MitakkreditiertenTestverfahren

zurQuantifizierungeineszytotoxischenoderphototoxischen

Effekts von topisch oder systemisch applizierten Substanzen

unterstützen wir Kunden bei der Entwicklung von Kosmetika,

Medizin-unddermopharmazeutischenProdukten[1,2].

Pigmentierte In-vitro-Hautmodelle zur Untersuchung

lichtassoziierter Hautschädigung

Viele wichtige Stoffwechselvorgänge werden nur durch Son-

nenlichtermöglicht.LangesSonnenbadenundausgedehnte

Outdoor-Aktivitäten können jedoch wegen der hohen Strahlen-

dosis Hautreizungen und -entzündungen oder sogar Hautkrebs

verursachen.DaherkonzentriertsichdieKosmetikindustrie

nicht nur auf die Verbesserung von Sonnenschutzmitteln, son-

dernauchaufdieEntwicklungvonmelanogenenSubstanzen.

Diese stimulieren die Melaninproduktion in der Haut, wodurch

derendogeneSonnenschutzerhöhtwird.Zusätzlichwerden

antioxidative Substanzen als Radikalfänger eingesetzt, um

lichtinduzierte Hautschäden und sogar Hautkrebs zu verhin-

dern.MelanozytensindinHaarfollikelnundinderBasalschicht

derEpidermiszufindenundübernehmeninunsererHauteine

wichtigeSchutzfunktion.BeiSonneneinwirkungbildensieein

wichtiges,UV-absorbierendesPigment,dasMelanin.Dieses

wird auf umliegende Keratinozyten verteilt, wodurch die DNA

vorUV-Licht-assoziiertenSchädengeschütztwird.

Die Integration von Melanozyten in unsere Hautmodelle

(Epidermis-oderVollhautmodell)ermöglichtdieUntersu-

chungvonlichtassoziiertenHautschäden.Sokönnenwir

Sonnenschutzmittel und Formulierungen mit melanogenem

oder antioxidativem Potenzial auf ihre Wirkung analysie-

ren.Bräunungs-undAufhellungseffektelassensichnach

definierterUV-Bestrahlung(UV-A/UV-BoderKombination)

quantifizieren.VeränderungenimKollagenoderinelastischen

Fasern können überwacht werden, um Hautalterungseffekte

zuuntersuchen[3].

1keratinocytes fibroblasts melanocytes adipocytes

einfaches Modell

Epid

erm

ism

od

ell

Vo

llhau

tmo

del

l

pigmentiert � Irritation / Korrosion

� Phototoxizität � Sonnenschutz � Melanogenese frühes Stadium

spätes Stadium

mit Subkutis

Plattenepithelkarzinommodell

spätes Stadium

frühes Stadium

erweiterte Modelle mit zunehmender Komplexität

Keratinozyten Fibrolasten Adipozyten SCC ZellinieMelanozyten

53

50 μm

50 μm

KontaktIn-vitro-Modell für das menschliche Plattenepithel-

karzinom – ein komplexes Krankheitsmodell

Mehr als 300 000 neue Fälle von weißem Hautkrebs

(Basalzell-undPlattenepithelkarzinom)werdenjährlichin

Deutschlanddiagnostiziert.Diesertrittüberwiegendin

sonnenexponierten Bereichen wie Kopf und Hals, Stirn, Nase,

Lippen,HändenundUnterarmenauf.DieaktinischeKeratose

istdiehäufigstepräkanzeröseForm(Vorstufe).Bleibtdiese

unbehandelt, entwickelt sich ein invasives Plattenepithelkar-

zinom.NebenchirurgischenBehandlungenstehenzahlreiche

nicht-chirurgische Eingriffe wie die photodynamische Therapie

(PDT)zurVerfügung.

Durchgleichzeitige,definierteIntegrationvonweißenHaut-

krebszellen(ZelllinieSCC-25)mitgesundenKeratinozytenin

die Hautmodelle, können wir frühe und späte Stadien des

Plattenepithelkarzinomsnachstellen.Diesesindmorpholo-

gischmitderIn-vivo-Situationvergleichbar.MittelsRaman-Mi-

krospektroskopie ist es uns gelungen, gesunde Keratinozyten

vondenTumorzellenimModellzuunterscheiden.

Ausblick

Die Modelle helfen, den Krankheitsverlauf zu verstehen und

ermöglichen die Untersuchung neuer photosensibilisierender

Substanzen,angepassterBestrahlungsprotokollemitspezifi-

schen Lichtquellen und deren Auswirkungen auf gesunde und

krankeZellen[4].InKooperationmitderUniversitätStuttgart

haben wir auch ein Modell für das Melanom (schwarzer Haut-

krebs)entwickelt.

1 In-vitro-Haut – einfache bis komplexe Modelle.

2 Effekt einer phototoxischen Substanz vor (oben)

und nach (unten) UV-A-Bestrahlung (5 J / cm2).

3 UV-Bestrahlung des pigmentierten Hautmodells

mit der BioSUN.

Literatur

[1]Biologicalevaluationofmedicaldevices–Part5:Testsforin

vitrocytotoxicity(ISO10993-5:2009);GermanversionENISO

10993-5:2009

[2]OECDguidelineforthetestingofchemicals,section4,

HealthEffects:InVitro3T3NRUphototoxicitytest(2004).DOI:

10.1787/9789264071162-en

[3]Thude,S.;Kluger,P.;Schenke-Layland,K.(2015)Invitro-

Hauttestsysteme zur Untersuchung lichtassoziierter Hautschädi-

gung.Biospektrum02.15,21.Jahrgang:172–174.DOI:10.1007/

s12268-015-0557-z.Springer-Verlag.

[4]Brauchle,E.;Johannsen,H.;Nolan,S.;Thude,S.;Schenke-

Layland,K.(2013)Designandanalysisofasquamouscell

carcinomainvitromodelsystem.Biomaterials30:7401–7407.

DOI:10.1016/j.biomaterials.2013.06.016

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des

Projekts »SkinCancer« im Rahmen des Programms Mittelstands-

orientierteEigenforschung(MEF).

2 3

Dipl.-Biol. (t.o.) Sibylle Thude

Telefon+49711970-4152

sibylle.thude@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Petra Kluger

Telefon+49711970-4072

petra.kluger@igb.fraunhofer.de

5 4

EISENOXID-NANOPARTIKEL FÜR DIE REGENERATIVE MEDIZINMaria Ste inke, Teresa K i l ian, Heike Wal les

Nicht-invasive Verfahren für die regenerative Medizin

Im Forschungsbereich der regenerativen Medizin fokussiert

sich die Wissenschaft darauf, geschädigtes Gewebe durch

therapeutische Zellen, zu denen mesenchymale Stammzellen

(engl.MesenchymalStemCells,MSCs)zählen,zuheilen.

MSCs haben die Eigenschaft, sich selbst zu erneuern, und das

Potenzial, sich in unterschiedliche Zelltypen, wie beispiels-

weiseKnochen-undKnorpelzellen,zudifferenzieren.Um

die Stammzellen nach einer Injektion oder Implantation im

Organismus lokalisieren und verfolgen zu können, lassen sich

diese mit superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln

alsKontrastmittelmarkieren.Zurnicht-invasivenLokalisation

wird in präklinischen und zum Teil bereits in klinischen Studien

dieMagnetresonanz-Bildgebung(engl.MagneticResonance

Imaging,MRI)eingesetzt.HierbeiistdiezelluläreAuflösung

jedochoftnichtausreichend.

Bildgebung mit magnetischen Partikeln

Seit kurzem ist ein neues Verfahren für präklinische Studien

aufdemMarkt,diemagnetischePartikelbildgebung(engl.

MagneticParticleImaging,MPI).Dieseweisteinehöhere

zeitlicheundräumlicheAuflösungsowieeinehöhereSensiti-

vitätalsMRIauf.DerEinsatzvonEisenoxid-Nanopartikelnzur

nicht-invasiven Lokalisation von Stammzellen ist zurzeit limi-

tiert:AufgrundmangelnderBioverträglichkeitscheiternviele

Partikel-Prototypen bereits im zweidimensionalen Zellkultur-

modell.WeiterhinbleibtdieZellmarkierungmeistnurwenige

Tage aufrecht erhalten, was eine Verfolgung im Organismus

übereinenlängerenZeitraumausschließt.ImEU-geförderten

Projekt »IDEA« besteht unsere Zielsetzung darin, Eisenoxid-

Nanopartikel-Prototypen zu entwickeln, die bioverträglich

sind und sich zur bildgebenden Darstellung mittels MPI für

Langzeitstudieneignen.

Bioverträgliche Eisenoxid-Nanopartikel

Esistunsgelungen,einenPartikel-Prototypen(M4E)zu

identifizieren,dervonMSCsindasZellinnereaufgenommen

wird.M4E-PartikelbesitzeneinenhydrodynamischenDurch-

messer von 115 nm und bestehen aus einem Eisenoxid-Kern

miteineraminofunktionalisiertenDextranhülle(Abb.1).In

In-vitro-Kulturen nehmen nahezu 100 Prozent der MSCs die

M4E-Partikelauf(Abb.2).SiewerdenwährendderZellteilung

an beide Tochterzellen weitergegeben, was eine Langzeitver-

folgungderZellenprinzipiellermöglicht.Allerdingsverlieren

die Stammzellen die aufgenommenen Partikel innerhalb weni-

gerTage,wennsieunter2D-Bedingungenkultiviertwerden.

Bringt man jedoch die markierten MSCs auf eine dreidimensi-

onale Trägerstruktur auf, die als Gewebegerüst dient, können

wirmarkierteZellenbiszusechsWochennachweisen.Über

nicht-invasive magnetische Partikelspektroskopie, die auf

demselben physikalischen Prinzip wie MPI beruht, können wir

markierteMSCsebensobiszusechsWochenlangverifizieren.

M4E-PartikelbeeinträchtigenwederdieViabilitätnochdas

WachstumoderdasTeilungsverhaltenvonMSCs.Weiterhin

lösenM4E-PartikelkeinegentoxischenEffekteaus[1].Auf-

grund dieser Befunde sind die von uns gesetzten Kriterien

bezüglichderBiokompatibilitäterfüllt.

GESUNDHEIT

1

HO O

OO

O OH

O

HO

NH2

O

HO

H2N

OHH2N

HO

NH2

O

HO

55

Kontakt

Dr. rer. nat. Maria Steinke

Telefon+4993131-80720

maria.steinke@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. hum. biol. Heike Walles

Telefon+4993131-88828

heike.walles@igb.fraunhofer.de

Ausblick

Unsere in vitro generierten Daten lassen darauf schließen,

dassderEisenoxid-Nanopartikel-PrototypM4Efüreine

bioverträgliche Markierung von MSCs sowie für die nicht-

invasiveDetektionmittelsMPIgeeignetist.Kultiviertmandie

Stammzellen in einer gewebeähnlichen 3D-Umgebung, bleibt

die Markierung bis zu fünf Mal länger erhalten als in der kon-

ventionellen2D-Kultur.HättenwirunsereStudienlediglichin

der 2D-Umgebung durchgeführt, hätten wir ein Bild erhalten,

dasderSituationinvivowomöglichnichtentspricht.Insich

anschließenden Studien am Tiermodell werden wir die In-

vitro-/In-vivo-KorrelationunsererDatenaufzeigen.Weiterhin

könnte die 3D-Trägerstruktur, die mit den markierten Stamm-

zellen beladen wurde, als Implantat für regenerative Therapien

verwendet werden, in der die Stammzellen differenzieren oder

zumZielgewebewandernkönnen.

Literatur

[1]Kilian,T.;Fidler,F.;Kasten,A.;Nietzer,S.;Landgraf,V.;Weiß,

K.;Walles,H.;Westphal,F.;Hackenberg,S.;Grüttner,C.;Steinke,

M.(2016)Stemcelllabellingwithironoxidenanoparticles:im-

pactof3Dcultureoncelllabellingmaintenance.Nanomedicine

(Lond)11(15):1957–70.doi:10.2217/nnm-2016-0042

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des

Forschungsprojekts»IDEA–Identification,homingandmoni-

toring of therapeutic cells for regenerative medicine – Identify,

Enrich,Accelerate«im7.Forschungsrahmenprogramm

(FP7/2007–2013),Förderkennzeichen279288.

Projektpartner

Dr.FlorianFidler,Würzburg | Dr.CordulaGrüttner,Warnemün-

de | Priv.-Doz.Dr.StephanHackenberg,Würzburg | Dr.Annika

Kasten, Rostock

2 100 μm

1 Schematische Darstellung des Partikel-

Prototypen M4E.

2 Berliner Blaufärbung der markierten

Stammzellen. Partikel sind blau darge-

stellt.

56

ELECTROSPINNING IN DER REGENERATIVEN MEDIZINSvenja Hinderer, Kat ja Schenke - Lay land

Elektrospinnen – Funktionsprinzip

Elektrospinnen ist eine bekannte Methode aus der Filter- und

Textilindustrie, die immer mehr Anwendung in der rege-

nerativenMedizinundderMedizintechnikfindet.Mittels

Elektrospinnen ist es möglich, dreidimensionale faserförmige

TrägersubstrateundMembranenzuerzeugen.Dafürwird

eine Polymerlösung durch eine Spritze gepumpt, an deren

EndesicheinTropfenbildet.DurchdasAnlegeneinerHoch-

spannung löst sich eine Faser aus dem Tropfen, die sich in

kreisenden Bewegungen in Richtung auf die Gegenelektrode,

denKollektor,bewegt.AufdiesemWegverdampftdas

Lösungsmittel und trockene, willkürlich orientierte Fasern im

Nano- bis Mikrometerbereich scheiden sich auf dem Kollektor

ab.ÜbereineVielzahlvonSystem-undProzessparameter

können Faser- und Porengröße sowie die Fasermorphologie

eingestelltundverändertwerden.

Anwendungen in der Biomedizin

Attraktiv bei dieser Technik ist vor allem, dass die faserförmige

StrukturderextrazellulärenMatrix(engl.ExtracellularMatrix,

ECM)desmenschlichenKörpershervorragendnachgeahmt

werdenkann[1].AmFraunhoferIGBgenerierenwirelektro-

gesponnene Trägersubstrate in unterschiedlichen Formen für

die statische und dynamische Zellkultur, zur Differenzierung

von Stammzellen, als Implantate, Testsysteme oder als

Drug-Delivery-Systeme.

Biomaterialien als Ausgangsmaterial

Abhängig vom späteren Einsatzgebiet und der damit zusam-

menhängenden gewünschten Funktionalität des Biomaterials

verwenden wir sowohl enzymatisch und / oder hydrolytisch

bioabbaubarealsauchnicht-abbaubarePolymere.Wirver-

spinnen natürliche Polymere, wie zum Beispiel Kollagen, Gela-

tine, Hyaluronsäure, Fibronektin und kleinere ECM-Moleküle

(Proteoglykane, Glykosaminoglykane oder Wachstumsfakto-

ren),aberauchsynthetischePolymerewiePolylactid(PLA),

Polyurethan(PU),Poly-ε-Caprolacton(PCL),Polyglykolsäure(PGA),Polyethylenglykol(PEG)u.v.m.[2].Zudembesteht

umfassendes Know-how im Verspinnen von funktionalen Hy-

briden(PCL-Gelatine-Decorin,PLA-Elastin,PLA-Fibronektin),

welche zugleich mechanisch stabil und biologisch aktiv sind

[3].

Die SpinKoll-Sehne – Elektrospinnen von Kollagen

Standardmäßig werden zur Herstellung elektrogesponnener

Trägersubstrate halogenierte Lösungsmittel verwendet,

was einen kritischen Faktor beim Verspinnen von Proteinen

darstellt.ImProjektSpinKollsollKollagenTypIauseineressig-

sauren Lösung versponnen werden, um die Kollagenstruktur

und die Funktionalität nach dem Spinningprozess beizubehal-

ten.ÜbereinespezielleLayer-by-layer-Anordnungerhöhen

wir zudem die mechanische Stabilität des rein natürlichen Ma-

terials, sodass ein Trägersubstrat entsteht, welches potenziell

AnwendungalsSehnenersatzfindenkann.

1

GESUNDHEIT

57

Dr. rer. nat. Svenja Hinderer

Telefon+49711970-4196

svenja.hinderer@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Katja

Schenke-Layland

Telefon+49711970-4082

katja.schenke-layland@

igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Hinderer,S.etal.(2016)ECMandECM-likematerials–Bio-

materials for applications in regenerative medicine and cancer

therapy,AdvancedDrugDeliveryReviews97:260–269

[2]Hinderer,S.etal.(2014)Bioengineeringofabio-functional-

izedoff-the-shelfheartvalve,Biomaterials35:2130–2139

[3]Hinderer,S.etal.(2012)Engineeringoffibrillardecorin

matricesforatissue-engineeredtrachea,Biomaterials33(21):

5259–5266

[4]Piccirillo,G.etal.(2016)ElectrospunPLAscaffoldfora

controlled and targeted delivery of a synthetically obtained

Diclofenacprodrugtotreatactinickeratosis,ActaBiomaterialia:

DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.actbio.2016.11.002

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des

Projekts »SpinKoll« im Rahmen des Programms Discover sowie

fürdieFörderungimRahmendesProgrammsTALENTAspeedup.

Weitere Informationen und Projektpartner

www.schenke-layland-lab.com

Herstellung eines Drug-Release-Systems

Neben der Herstellung von Implantaten und Testsystemen

arbeiten wir an Systemen, die Medikamente, Proteine oder

WachstumsfaktorenüberdieZeitfreisetzenkönnen.Einak-

tuellesBeispielistdieVerkapselungvonGlycin-modifiziertem

Diclofenac in einem hydrophoben PLA-Trägersubstrat,

welchesüber24Stundenkontinuierlichfreigesetztwird[4].

Die mechanischen Eigenschaften von PLA wurden durch die

VerkapselungdesMedikamentsnichtbeeinflusst.

Freisetzungsexperimentezeigten,dassca.90Prozentdes

DiclofenacindieUmgebungabgegebenwerden.Eineweitere

Freisetzung kann dann nur noch über den Abbau der Fasern

erfolgen.ÜberMultiphotonen-Mikroskopiekonntedas

MedikamentindenFasernsichtbargemachtwerden.Zudem

konnten wir die Biokompatibilität des Drug-Release-Systems

mithilfe standardisierter Testverfahren sowie über Fluores-

zenzlebensdauer-Mikroskopie(FLIM)anhumanenFibroblasten

bestätigen.DasmittelsElektrospinnenhergestellteDrug-

Release-SystemeignetsichalsWundauflagezurBehandlung

vonaktinischerKeratose.

1 Elektrospinnen zur Herstellung von faser förmigen

Trägersubstraten.

2 Multiphotonenmikroskopie: Elektro gesponnenes

Trägersubstrat mit Diclofenac-Glycin.

3 Röhrenförmiges elektro gesponnenes Substrat.

2 3

5 8

FUNKTIONELLE VERKAPSELUNG VON WIRKSTOFFEN MITTELS SPRÜHTROCKNUNGMichael Walz, Achim Weber

Wirkstoffverkapselung

Die Verkapselung von Wirkstoffen ist aufgrund mehrerer

Aspekte für die Industrie im Bereich der Pharma- und Medizin-

technikinteressant.EinerseitskönnenKapselnzumSchutzder

WirkstoffevoräußerenEinflüssendienen,wiebeispielsweise

derMagensaftresistenzbeioralerApplikation.Andererseits

lässt sich durch kontrollierte Freisetzung die Behandlung der

Patientenverbessern.GeringereWirkstoffkonzentrationen

durch eine kontinuierliche Freisetzung können zur Senkung

vonNebenwirkungenführen.VorallemistjedochdieHand-

habungbzw.dieSicherheitderTherapiegegenüberkonven-

tionellenMethodenverbessert.EinWirkstoffdepotkannüber

mehrere Tage bis Monate den Wirkstoff freisetzen und so eine

regelmäßige Tabletteneinnahme reduzieren, was hinsichtlich

der Überalterung der Gesellschaft als großer Vorteil gesehen

wird.

Formulierung mittels Sprühtrocknung

Zur Formulierung solcher Wirkstoffsysteme müssen verschie-

dene Aspekte, wie die Stabilität, Biokompatibilität, Zytotoxi-

zitätunddasFreisetzungsverhaltenberücksichtigtwerden.

InZusammenarbeitmitdemInstitutfürGrenzflächenver-

fahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität

Stuttgart untersuchen wir am Fraunhofer IGB daher die

Nutzung von Biopolymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

alsMatrixmaterialfürWirkstoffformulierungen.ImRahmen

eines Projekts wurde Inulin als Biopolymer in Sprühverfahren

mittelsZweistoff-undDreistoffdüse(Abb.3)zurWirkstoffver-

kapselungverwendet.Inulinwurdedabeizusätzlichchemisch

modifiziert,umdenEinflussaufdieFreisetzungseigenschaften

zuuntersuchen.

Zur Herstellung der beladenen Wirkstoffpartikel verwenden

wirunteranderemdaseinstufigeVerfahrenderSprühtrock-

nung.DabeiwirdeinePolymerlösungineinemTrocknungs-

zylindermithilfeeinesGasesinfeineTröpfchenzerstäubt.

Durch den heißen Gasstrom wird das Lösungsmittel verdampft

unddieresultierendenPartikelabgeschieden(Abb.2).Ein

großer Vorteil ist, dass durch die Anwendung der Sprühtrock-

nungkeineweitereAufreinigungnotwendigist.

Verkapselungen mit der Zweistoffdüse

Mithilfe der statistischen Versuchsplanung werden die opti-

malenParameterfürdenSpühtrocknungsprozessermittelt.

Dabei werden Trocknungstemperatur, Zerstäubungsgas,

Pumpgeschwindigkeit und Konzentration der Polymerlösung

variiert.AnschließendwerdenverschiedeneWirkstoffever-

kapselt,wieDexpanthenolfürAnwendungenaufderHaut.

Bei natürlichem Inulin konnten wir feststellen, dass der Wirk-

stoff innerhalb von wenigen Stunden vollständig freigesetzt

wird.EineModifikationdesBiopolymersmitEssigsäure-und

Pro pionsäureanhydrid konnte die Stabilität der Partikel in

wässrigenLösungendeutlichverbessern(Abb.4).Eszeigte

sich auch eine verlängerte Freisetzung nach der Verkapselung

vonDexpanthenolmitdiesenmodifiziertenInulinderivaten.

Herstellung von Kern-Schale-Partikeln

Unlösliche Wirkstoffe müssen vor der Sprühtrocknung in

stabileEmulsionenoderSuspensionenüberführtwerden.

Dafür sind meistens hohe Scherkräfte und Stabilisatoren

notwendig, die je nach Substanz negative Wechselwirkungen

verursachen.DaherwirdindiesemProjektderEinsatzder

Dreistoffdüseuntersucht(Abb.3).Eskönnenzweivoneinan-

der unabhängige Stoffströme mit einem Gasstrom zerstäubt

1 2

GESUNDHEIT

Druckluft

Heizspirale

Düse

Aspirator

Polymerlösungen

Trocknungs-zylinder

Hoch-leistungs-

zyklon

Produkt

Abluft-filter

10 μm

59

Michael Walz M. Sc.

Telefon+49711970-4118

michael.walz@igb.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Achim Weber

Telefon+49711970-4022

achim.weber@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Kašpar,O.;Tokárová,V.;Nyanhongo,G.S.;Gübitz,G.;

Štěpánek,F.(2013)Effectofcross-linkingmethodontheactivity

of spray-dried chitosan microparticles with immobilized laccase,

FoodBioproductsProcessing91:525

Förderung

Wir danken der Konrad-Adenauer-Stiftung für die Förderung

einesPromotionsstipendiums.

Projektpartner

InstitutfürGrenzflächenverfahrenstechnikundPlasmatechnolo-

gie IGVP, Universität Stuttgart

werden.IndenTropfenkommtesaufgrundderScherkräfte

zur Durchmischung und mit der zeitgleichen Trocknung wird

derWirkstoffimPartikelimmobilisiert[1].UnterVerwendung

verschiedener Materialien ist auch die Herstellung von Kern-

Schale-Partikelnmöglich(Abb.1),sodassderWirkstoffin

einer Matrix eingebettet und diese mit einem zweiten Material

umhülltwird.DamitbietensichmaßgeschneiderteLösungsan-

sätzefüreinbreitesAnwendungsfeld.

Ausblick

In weiteren Versuchen werden verschiedene Wirkstoff- und

Materialkombinationenhergestelltundcharakterisiert.Auch

die Verkapselung von Nanopartikeln über dieses Verfahren

stellteineinteressanteAnwendungdar.

1 Kern-Schale-Partikel von Inulin, hergestellt

mittels Dreistoffdüse.

2 Schematische Darstellung der

Sprühtrocknung [1].

3 Zweistoff- und Dreistoffdüse [1].

4 Vergleich von wirkstoffbeladenen Inulin-

Partikeln mit und ohne Modifikation.

3

Öffnung

Kappe

Spitze

Lösung 1GasGas Lösung 2Lösung

4 1 μm

1 μm

6 0

Immunmodulatoren als Therapeutika

Unser Ziel ist es, neue Wirkstoffe zu entwickeln, die die Me-

chanismen der angeborenen Immunität modulieren, um sie

für die Therapie von Infektionskrankheiten, entzündlichen Pro-

zessenundAutoimmunerkrankungeneinzusetzen.Ineinem

gemeinsamen Projekt mit der Hebrew University of Jerusalem

wurden bereits erste vielversprechende Ergebnisse [1, 2] zum

Einsatz immunmodulatorischer Stoffe für die Behandlung von

InfektionenundinflammatorischenErkrankungenerzielt.Ein

gerichteter Transport der Wirkstoffe an den Ort der Entzün-

dungoderInfektionkönntedieseEffekteweiterverbessern.

Auch bei Infektionen mit resistenten Pathogenen würde eine

Aktivierung des angeborenen Immunsystems die Therapie

verbessern.

Dermatologische Erkrankungen wie Lupus, atopische Dermatitis

oder Psoriasis sind geeignete Indikationen, da hier Rezeptoren

desangeborenenImmunsystemswieToll-like-Rezeptoren(TLR)

bereitsalsSchlüsselmolekülefürdieErkrankungidentifiziert

wurden.Tatsächlichgibtesgegenwärtigca.22verschiedene,

in unterschiedlichen Stadien der klinischen und vorklinischen

ErprobungbefindlicheWirkstoffezurBehandlungvonPsoriasis,

wiez.B.Interleukin-17-Antagonisten.Diesverdeutlichtdas

PotenzialimmunmodulatorischerWirkstoffeinderTherapie.

Das angeborene Immunsystem hat essentielle Funktionen in

derBekämpfungvonPilzinfektionen,wiez.B.vonCandida

spp.,undviralenInfektionen,diez.B.durchHerpesviren

verursachtwerdenkönnen.Deswegensindauchhierimmun-

modulatorische Substanzen für einen therapeutischen Einsatz

relevant.EinzweiterFokusistdaherdieEntwicklungneuer

immunmodulatorischer Wirkstoffe, um diese Infektionen zu

bekämpfen.ErsteWirkstoffkandidatenmitTLR-modulieren-

den Aktivitäten wurden bereits mit Erfolg in klinischen Studien

als antivirale Wirkstoffe getestet, was die Richtigkeit unserer

Vorgehensweiseunterstreichtundbestätigt.Auchindiesem

Ansatz soll mit einer gezielten Freisetzung der Immunmo-

dulatoren am Ort der Infektion die Wirkung noch potenziert

werden.

Drug Design und Auswahl

MitcomputerbasiertenMethodenidentifizierenunserePartner

an der Hebrew University neue Agonisten und Antagonisten

von angeborenen humanen Immunrezeptoren oder den

entsprechenden Signalwegen, die für die oben genannten

Indikationenrelevantsind.FürdenToll-like-Rezeptor9konnte

diesbereitserfolgreichdurchgeführtwerden[1].Dabeiwerden

über Modeling-Verfahren, basierend auf bekannten Liganden

oder der Struktur der Rezeptoren, aus Millionen von in Daten-

bankenbeschriebenenMolekülendiejenigenidentifiziert,wel-

chedieRezeptoraktivitätbeeinflussenkönnten.DieMoleküle,

die experimentell als Immunmodulatoren validiert werden

konnten, gehen für eine weitere Optimierung in zusätzliche

Modeling-Runden[1,3].MiteinerAuswahlvon200–300

VerbindungenwurdenhierbereitsAntagonistenverifiziert,

welcheinnanomolarenKonzentrationenwirksamsind[1].

Gezielte Pharmakotherapie

LiposomensindeffizienteDrug-Delivery-Systeme,dieden

Wirkstoff vor Abbau schützen, seine pharmakokinetischen

IMMUNMODULATOREN FÜR DIE THERAPIE VON INFEKTIONEN UND ENTZÜNDLICHEN ERKRANKUNGEN Stef fen Rupp, Anke Burger-Kent ischer

11 2

GESUNDHEIT

CpG ODN potenzieller Antagonist

TLR9

SEAP

Nukleus

End

oso

m

TNF-αMIFNOIFN-βIL1.6.8, 10, 12

Phosphatase-Aktivität

ExpressionMyD88 IRAK

TRAF6 IKK NF-κB

NF-κB-Aktivierung

61

Dr. rer. nat. Anke

Burger-Kentischer

Telefon+49711970-4023

anke.burger-kentischer@

igb.fraunhofer.de

apl. Prof. Dr. rer. nat. Steffen Rupp

Telefon+49711970-4045

steffen.rupp@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Zatsepin,M.etal.(2016)JChemInfModel56:1835–1846

[2]Ron-Doitch,S.etal.(2016)JControlRelease229:163–171

[3]Burger-Kentischer,A.etal.(2010)Journalofimmunological

methods358:93–103

[4]Kühbacher,A.etal.(2017)Methodsinmolecularbiology

1508:439–449

[5]Hogk,I.etal.(2013)Methodsinmolecularbiology1064;

239–251

[6]Hogk,I.etal.(2013)BioResearchopenaccess2:250–257

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft und der Hebrew

University für die Förderung des Projekts »JRHDD – Joint

Research Hub for Drug Discovery and Delivery« im Rahmen des

ICON-Programms.

Projektpartner

Gershon Golomb, Amiram Goldblum, Hebrew University, Jerusa-

lem, Israel

Eigenschaften verbessern und eine hohe Wirkstoffkonzent-

rationamWirkortfreisetzen.UmLiposomeneffizientanden

Zielort zu bringen, sind ein effektives »Targeting« und eine

langeZirkulationsdauerwichtig.Einsolches»Targeting«kann

mithilfespeziellerNavigator-Ligandenerfolgen[2].Sokönnen

z.B.zelltypspezifischeRezeptorengezieltmitdiesenLiganden

adressiertwerden.

In-vitro- und In-vivo-Testsysteme

ZurValidierungderidentifiziertenimmunmodulatorischen

Wirkstoffe und deren Formulierung existieren am Fraun-

hofer IGB unterschiedliche Assays bis hin zu komplexen

Infektionsmodellen sowohl für Pilz- wie auch für virale Infek-

tionen[1–6].NachValidierungderrezeptormodulierenden

Eigenschaften über zellbasierte Assays [1, 3], setzen wir 3D-

Gewebemodelle ein, die Komponenten des Immunsystems

enthalten[4],umdieEffekteaufdieZell-Zell-Kommunikation

undInfektionzuanalysieren.EineweitereValidierungderbes-

tenVerbindungenwirdimTiermodellvonPartnerngeleistet.

Ausblick

Mit dieser Vorgehensweise werden zwei Ansätze kombiniert,

diedenHeilungsprozessbeiInfektionenoderinflamm-

atorischenErkrankungenbeschleunigenkönnen:Erstens

ermöglicht eine Modulation des angeborenen Immunsystems

eine schnelle Beseitigung der eingedrungen Pathogene oder

dieDämpfungder(auto-)inflammatorischenProzesseund

zweitenswerdenbekannteundneueWirkstoffegezieltininfi-

ziertesoderpathologischverändertesGewebeeingebracht.

1 Zellkulturplatten.

2 Der zellbasierte PAMP-Assay ist ein flexibles

Werkzeug, um Leitsubstanzen für die

Arzneimittelentwicklung zu identifizieren.

3 Zellkulturflaschen.

4 Struktur eines Rezeptor-Antagonist-Komplexes aus

humanen TLR9 und Oligodesoxynukleotid (ODN).

43

NTCT

62

1

Optimierung der Arbeits- und Prozessqualität

Das Translationszentrum »Regenerative Therapien für Krebs-

undMuskuloskelettaleErkrankungen«(TZKME)hatsichzum

Ziel gesetzt, die komplette Wertschöpfungskette im Bereich

der regenerativen Therapien abzudecken – von der Entwick-

lungbiszurZulassungvon(biologisierten)Medizinprodukten

undzellbasiertenTransplantaten.Umdiesnachhöchsten

Qualitätsstandards leisten zu können, wird am Translations-

zentrum derzeit die entsprechende Infrastruktur auf Basis

einesQualitätsmanagementsystems(QM-System)etabliert.

QM-Systeme spielen in der heutigen Unternehmenswelt eine

immerwichtigereRolle.DasZielist,dieArbeits-undProzess-

qualität im Unternehmen zu steigern sowie die Qualität der

Produkte und Dienstleistungen zu erhalten und kontinuierlich

zuverbessern.QM-SystemeumfassendabeijenachSystem

undNormmehrereInhalte:SiesetzenaufeineStandardisie-

rung und Optimierung von Arbeitsprozessen und -strukturen,

die Etablierung von Normen für Produkte und Dienstleistun-

genundeineakkurateDokumentation.EinwichtigesZiel

istdieErhaltungundSteigerungderKundenzufriedenheit.

Neben dem Kunden steht aber auch der Arbeitnehmer im

Fokus.QM-SystemesollendieMotivationderMitarbeitenden

fördern,fürderenfortlaufendeberuflicheWeiterbildung

sorgen und eine verbesserte Gestaltung und Ausrüstung ihrer

Arbeitsräumeerreichen.

Qualitätsmanagement nach internationaler Norm

QM-Systeme haben in rudimentärer Form eine lange Tradition,

angefangen mit den Vorschriften und Kontrollen der Zünfte

imMittelalter.MitBeginnderindustriellenRevolutiongewan-

nen sie enorm an Bedeutung, da es immer wichtiger wurde,

bei gesteigerter Produktionsleistung bestimmte Qualitätsstan-

dardsfürdieProduktezugewährleisten.DabeifolgenQM-

SystemeimAllgemeinenfolgenderTrilogie:Qualitätsplanung

(DefinierenvonQualitätszielen,PlanungvonProzessenund

Kontrollen),Qualitätsregelung(BewertendesQualitätsstandes

undggf.AbleitenvonMaßnahmen)undderQualitätsverbes-

serung(OptimierungvonStrukturenundProzessen).

1979führteGroßbritanniendieersteeuropäischeNormfür

QM-Systeme ein, den British Standard 5750, welcher später

alsVorlagefürdieDINENISO9000undderenNachfolge-

versionendiente.DieaktuelleDINENISO9001(Version

2015)[1]giltheutzutagealsgängigerStandardweltweitfür

dieStrukturvonQM-Systemenundfindetindenmeisten

OrganisationenAnwendung.IneinigenBereichen,wiez.B.

der Gesundheitsversorgung, der Automobil- oder Pharmain-

dustrie, ist ein QM-System nach internationalen Normen sogar

gesetzlichvorgeschrieben.

Abbildung von Wertschöpfungsketten

UnterdemDachdesTZKMEfindensichindirekterräumli-

cher Nähe die beiden Lehrstühle für Tissue Engineering und

RegenerativeMedizin(TERM)sowiefürFunktionswerkstoffe

derMedizinundZahnheilkunde(FMZ),dieeinegemeinsame

präklinischeStudieneinheitbetreiben.Dasgemeinschaftliche

Ziel ist, die komplette Wertschöpfungskette regenerativer

Therapienabzudecken.

Dafür müssen jedoch tragfeste Infrastrukturen etabliert wer-

den, die eine effektive interdisziplinäre Zusammenarbeit der

beteiligten Bereiche Forschung, Entwicklung, präklinische und

klinischeErprobungundZulassungkontinuierlichermöglichen.

QUALITÄTSMANAGEMENTSYSTEME IN PRÄ-KLINISCHEN FORSCHUNGSEINRICHTUNGENMarco Metzger, Thors ten Bergmann

GESUNDHEIT

63

Dr. sc. hum. Marco Metzger

Gruppenleiter Implantate

Telefon+4993131-86686

marco.metzger@igb.fraunhofer.de

Thorsten Bergmann

Projektleiter QM

Telefon+4993131-82907

thorsten.bergmann@uni-wuerzburg.de

Kontakt

Literatur

[1]DINENISO9001:2015Qualitätsmanagementsysteme–Anfor-

derungen(ISOENISO9001:2015,2015)

Projektpartner

Universitätsklinikum Würzburg, Lehrstuhl für Tissue Engineering

und Regenerative Medizin | Universitätsklinikum Würzburg,

Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der

Zahnheilkunde

Weitere Informationen

www.term.ukw.de

www.fmz.uni-wuerzburg.de

Das derzeit aufgebaute QM-System soll dafür im Laufe des

Jahres2017andieNormDINENISO9001:2015angepasst

undzertifiziertwerden.

Akkreditierte Prüflaboratorien

DasPrüflaboratoriumdesFMZistunterdemDachdes

TranslationszentrumsbereitsnachDINENISO17025:2005

akkreditiert und von der Zentralstelle der Länder für Gesund-

heitsschutzbeiArzneimittelnundMedizinprodukten(ZLG)

anerkannt.HierwerdenbiologischePrüfungenvonMedizin-

produktenundDentalwerkstoffen(DINENISO10993-5und

10993-6,DINENISO7405)sowieanorganisch-analytische

Prüfverfahrendurchgeführt.

FolgendebiologischePrüfungenwerdenderzeitangeboten:

1. ZellproliferationnachKontaktmitExtraktenoderimdirek-

tenKontakt(Zellzahlbestimmung)

2. StoffwechselaktivitätnachKontaktmitExtraktenoderim

direktenKontakt(WST-1-Test)

3. ProteinsyntheseimKontaktmitExtraktenoderimdirekten

Kontakt(ProteinbestimmungnachLowry)

4. ZellschädigungundLyseimindirektenKontakt

(Agardiffusionstest)

5. PrüfungauflokaleEffektenachImplantationinvivo

Good Laboratory Practice

Ein weiterer strategisch wichtiger Baustein zur vollständigen

Abbildung der oben genannten Wertschöpfungskette stellt

die Implementierung der Guten Laborpraxis (Good Laboratory

Practice,GLP)indertierexperimentellenpräklinischenStudien-

einheitdar.GLPistfürallesicherheitsrelevantenFragestel-

lungen in der präklinischen Entwicklung von Bioimplantaten

gesetzlichvorgeschrieben.Aufbauendaufderexistierenden

DINISO10993-6zurzulassungsrelevantenIn-vivo-Testung

von Medizinprodukten im Kleintiermodell soll GLP in den

kommenden ein bis zwei Jahren am Translationszentrum

aufgebautwerden.

1+2 Abstimmung und Planung des QM-Beauf-

tragten (Thorsten Bergmann, Universitätsklinik

Würzburg) mit dem Gruppenleiter Implantate

(Dr. Marco Metzger, IGB) zur Erstellung von Pro-

zessketten im Rahmen der Implementierung der

DIN EN ISO 9001 am TZKME Würzburg.

2

6 4

1

Einschränkungen der Wirkstofftestung

Heutige Verfahren zur Entwicklung von Arzneimitteln zeich-

nen sich durch extrem hohe Kosten und einen immensen Zeit-

aufwandaus.EinerderHauptgründefürdieIneffizienzder

Verfahren ist, dass experimentelle In-vivo-Tests in Menschen

nicht tragbare Risiken besitzen und daher aufwendige Tierver-

sucheundVersuchemitZellliniennotwendigsind.

Tiermodelle und Zelllinien spielen nicht nur in der Pharmafor-

schung, sondern auch in der Kosmetik- und Chemieindustrie

sowie in der akademischen Grundlagenforschung eine tragen-

deRolle.AllerdingssindselbsthochentwickelteTiermodelle

nicht in der Lage, den komplexen menschlichen Körper und

speziellmenschlicheKrankheitennachzubilden.Darüberhin-

aussindsieethischfragwürdig.

Immortalisierte Zelllinien andererseits sind in vielen Fällen

entweder nicht menschlichen Ursprungs oder stammen ur-

sprünglich aus Krebsgewebe und werden klassischerweise als

2D-Monokulturenkultiviert.Dietatsächlichephysiologische

Nähe dieser Kulturen zu menschlichem Gewebe ist dadurch

sehrbeschränkt.Daheristesnichtüberraschend,dassRe-

sultate, die aus Versuchen mit Zelllinien sowie Tierversuchen

gewonnenwerden,häufignichtodernureingeschränktauf

denMenschenextrapoliertwerdenkönnen.

Menschliche In-vitro-Modelle statt Tierversuche

und Zelllinien

Die Entdeckung humaner induziert-pluripotenter Stammzellen

(hiPS-Zellen)eröffnetedieMöglichkeit,vieleEinschränkungen

von klassischerweise verwendeten Tiermodellen zu überwin-

den.DiesführtezueinemParadigmenwechselinderEntwick-

lungpersonalisierterundkrankheitsspezifischerModellsyste-

me.SpezielldasPrinzipvonOrgan-on-a-Chip-Systemenhat

sich in den letzten Jahren von einer konzeptionellen Idee hin

zueinermöglichenAlternativefürTiermodelleentwickelt.Das

Potenzial der Systeme ist inzwischen von Wissenschaft, der

betroffenen Industrie sowie staatlichen Behörden allgemein

anerkannt.

Organ-on-a-Chip-Systeme kombinieren die Alleinstellungs-

merkmalederklassischenZell-Assays(menschlicheGene)

undderTiermodelle(3D-GewebeundBlutkreislauf).Sie

ermöglichen es, die Notwendigkeit von Tierversuchen nach

denVorgabendes3R-Prinzips(Replace,Reduce,Refine)zu

reduzieren.WeiterhinverbessernsiedieÜbertragbarkeitder

vorklinischen Resultate auf die klinischen Phasen und machen

somit die gesamte Entwicklung kostengünstiger, sicherer und

schneller.

Grundbausteine eines Organ-on-a-Chip

In der Attract-Gruppe Organ-on-a-Chip werden unterschied-

liche mikrophysiologische Organ-on-a-Chip-Systeme, auch

mikrophysiologischeSysteme(MPS)genannt,entwickelt,die

aufminimalerGrundflächeeineIn-vivo-StrukturundFunktio-

nalitätderjeweiligenOrgangewebeaufweisen.

Die primäre Komponente dieser Systeme ist die mikrophy-

siologischeUmgebung.DazuwerdenTechnologiender

Mikrostrukturtechnik, der Materialwissenschaften und der

MIKROPHYSIOLOGISCHE ORGAN-ON-A-CHIP-SYSTEME ALS ALTERNATIVEN ZUM TIERVERSUCHJul ia Rogal, Chr is topher Probst , S i l v ia Kolbus-Hernandez, Peter Losk i l l

GESUNDHEIT

65

Dr. rer. nat. Peter Loskill

Telefon+49711970-3531

peter.loskill@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des

Projekts »Organ-on-a-Chip-Systeme für Hochdurchsatz-Scree-

nings«imRahmendesFraunhoferAttract-Programms.

Mikrofluidikverwendet,umStrukturenzuschaffen,die

physiologisch korrekt die In-vivo-Umgebungsbedingungen

desjeweiligenGewebesinvitronachbilden.DerEinsatzder

MikrofluidikermöglichtdabeidieArbeitmitphysiologisch

relevanten Kleinstmengen an Flüssigkeiten sowie den Zu- und

Abtransport löslicher Faktoren, wie Nährstoffen, Arzneimitteln

oderMetaboliten.

Die zweite wichtige Komponente ist das integrierte menschli-

cheGewebe.DabeivermeidenwirdenEinsatznicht-repräsen-

tativerZelllinienundarbeitenmithiPS-Zellen.Durchgezielte

Differenzierung von hiPS-Zellen können Zelltypen und Ge-

webegewonnenwerden,diesichbisherschwierigbzw.un-

möglichausprimärenBiopsienisolierenließen.DahiPS-Zellen

kryokonservierbar und expandierbar sind, eignen sie sich auch

für industrielle Anwendungen weitaus besser als beispielswei-

seprimäreZellenundermöglichenreproduzierbarereModelle.

Im Unterschied zu embryonalen Stammzellen ist der Einsatz

vonhiPS-Zellendabeiethischwesentlichunproblematischer.

Anwendungen

Organ-on-a-Chip-SystemefindenprimärAnwendungim

Bereich des vorklinischen Screenings von Arzneimitteln zur

UntersuchungderWirksamkeitundzurPrüfungderToxizität.

Zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten existieren grundsätz-

lich in fast jedem Gebiet, in dem derzeit Tierversuche durch-

geführtwerden.Dazuzählenspezielldiebiomedizinische

Grundlagenforschung, aber auch die Kosmetikindustrie, in

dereseinegroßeNachfragenachAlternativmethodengibt.

Der Grund dafür ist das komplette Einfuhrverbot für in Tier-

versuchengetesteteKosmetikaindieEUseitwenigenJahren.

Ein weiteres, vielversprechendes Anwendungsgebiet ist die

personalisierteMedizin.DieserBereichistbishernochwenig

entwickelt,besitztjedochlangfristigsehrgroßesPotenzial.

1 Mikrophysiologisches Fat-on-a-Chip-System.

2 Fluoreszenzgefärbte humane Adipozyten für

Fat-on-a-Chip-Systeme.

3 Humane iPS-basierte Kardiomyozyten entlang

einer mikrostrukturierten Faser.

32 500 μm

CHEMIE UND PROZESS-INDUSTRIE

67

Funktionale Oberflächen und Materialien

FürdieOberflächenvielerWerkstoffe,z.B.industriellerBauteileodertechnischerTextilien,

sindhäufigandereEigenschaftenerwünscht,alssiedasMaterialimVolumenbesitzt.Am

FraunhoferIGBentkoppelnwirdieVolumen-vondenOberflächeneigenschaftendurchGrenz-

flächenverfahrenstechnik.OberflächenvonKunststoffen,KeramikenoderMetallenverleihen

wirneueEigenschaften,indemwirdünneSchichtenauftragenoderdefinierteFunktionenan

Oberflächenerzeugen.HierzusetzenwirGasphasenprozesse(CVD,PVD,PECVD),nassche-

mischeVerfahrenoderkombinierteVerfahrenein.FüroffenporigepolymereSchäumemit

funktionellenGruppenhabenwireineeinstufigeSynthesestrategieentwickelt.

Fermentation und Biokatalyse

Unsere Arbeiten zielen auf die Entwicklung und Optimierung biotechnologischer (fermentativer

oderbiokatalytischer)ProzessezurHerstellungvonChemikalienausnachwachsendenRohstof-

fenoderbiogenenReststoffen.DiesebietennebenmildenReaktionsbedingungenundhoher

SpezifitäteinenahezuunerschöpflicheProduktvielfalt.OptimierteTransformationsprozesse

erreichenwirauchdurchdieKopplungmitchemischenProzessen.UnserLeistungsspektrum

umfasst das Screening nach neuen Chemokatalysatoren, industriell nutzbaren Enzymen und

Mikroorganismen(Bakterien,Pilze)sowiedieEntwicklungvonProduktionsverfahrenfürFein-

undBasischemikalieninkl.desScale-upsundderProduktaufarbeitung.

Biobasierte Chemikalien

Fermentations- und Aufarbeitungsverfahren wurden am Fraunhofer IGB beispielsweise für C2-

Verbindungen(Ethylen,Essigsäure,Ethanol),C3-Verbindungen(Propen,Propanol,Propandiol,

Propionsäure,Milchsäure),Dicarbonsäuren(Äpfelsäure,Itaconsäure)sowiefürAminosäuren

oderProteine(Thaumatin,Bacteriorhodopsin)erfolgreichbearbeitet.Ausgehendvonnach-

wachsenden Rohstoffen, Algenlipiden oder biogenen Reststoffen konnten wir neue Wege zur

HerstellungvonGrundstoffen(langkettigeDicarbonsäuren,Fettsäureepoxide,Lactame)fürdie

Kunststoffindustrieaufzeigen.AusgewieseneExpertisebesitzenwirindermikrobiellenHerstel-

lungvonBiotensidenfürAnwendungenalsEmulgatorenoderReinigungsmittel.

6 8

Bioraffineriekonzepte

Ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung chemischer Produkte ist die möglichst vollständige

VerwertungvonBiomassenachdemPrinzipeinerBioraffinerie.Verschiedeneland-undforst-

wirtschaftlicheReststoffe(Stroh,Holzabfälle)sowieorganischeReststoffeunterschiedlicher

Industriezweige(Molke,KrabbenschalenundInsektenpanzer,Terpene)konntenwirbereits

erfolgreich als Rohstoffquelle erschließen und durch fermentative oder biokatalytische und

kombinierte chemische Prozesse zu Basischemikalien umsetzen, die weiter zu Feinchemikalien

oderBiopolymerenaufgearbeitetwerden.DieparalleleoderanschließendeenergetischeNut-

zungderRestbiomasseschließtdenKreislaufunderhöhtdenGesamtwirkungsgrad.

(Elektro-)chemische Umwandlung

Mit der Energiewende und dem Ausbau der regenerativen dezentralen Stromerzeugung

stehtzukünftig–witterungsabhängig–kostengünstigerStromzurVerfügung.Wirddieser

fluktuierendanfallendeÜberschussstromflexibelfürelektrochemischeReaktionengenutzt,

könnenBasischemikaliennachhaltighergestelltwerden.HierfürentwickelnwirKatalysatoren

undgeeigneteElektroden,Elektrolyse-VerfahrenundApparate.ImFraunhofer-Leitprojekt

»StromalsRohstoff«entwickeltdasFraunhoferIGBeineinstufigesVerfahren,mitdemEthen

elektrochemischinnureinemVerfahrensschritthergestelltwerdensoll.EineElektrolysezelle,in

der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasserstoffperoxid herstellen lässt,

istbereitsalsPrototypamFraunhoferIGBverfügbar.

Aufarbeitungstechnologien

Die Stofftrennung ist in vielen Bereichen der Chemie und Prozessindustrie ein zentraler Verfah-

rensschritt.FürdasUpstreamProcessingvonRohstoffenwiefürdasDownstreamProcessing

von Fermentations- und Syntheseprodukten erarbeitet das Fraunhofer IGB wirtschaftliche

VerfahrenundplantentsprechendeAnlagen.ImFokusstehenressourceneffizienteMembran-

oderelektrophysikalischeTechnologien,dievielstufigeAufarbeitungsprozessevereinfachen

und falls erforderlich mit herkömmlichen Trennverfahren wie Zentrifugation, Extraktion oder

chromatographischenVerfahrenkombiniertwerden.

Die chemische Industrie gehört zu den bedeutendsten und

forschungsintensivstenBrancheninDeutschland.VieleInno-

vationen in der Automobil-, Elektro- und Elektronikindustrie,

Bauwirtschaft oder Verpackungstechnik wären ohne den Bei-

tragderChemienichtmöglich.DabeiistdieChemie-undPro-

zessindustrie, mehr als alle anderen Branchen, gekennzeichnet

durchrohstoff-undenergieintensiveProzesse.

Die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe, die Begrenztheit

der fossilen Ressourcen weltweit – auch im Wettbewerb mit

der energetischen Nutzung – und die Notwendigkeit, Aus-

wirkungen auf das Klima und die Umwelt zu berücksichtigen,

rücken deshalb auch in unseren Arbeiten Ansätze in den

Vordergrund, fossile Ressourcen besser zu nutzen oder zu

substituieren.

Vernetzung und Kooperation

Unsere ausgeprägte Vernetzung mit anderen Instituten der

Fraunhofer-Verbünde Life Sciences und Werkstoffe, Bauteile –

MATERIALS sowie der Fraunhofer-Allianzen Nanotechnologie,

Photokatalyse,Textil,PolymereOberflächenPOLO® und

Reinigungstechnik, zu Universitäten und anderen Forschungs-

einrichtungen ist ein Garant für die kompetente Bearbeitung

auchinterdisziplinärerFragestellungen.

70

1 2

BI-AMIN – AMINE NACHHALTIG PRODUZIERTFabian Stef f ler, Volker S ieber

AminespieleneinewichtigeRolleinderchemischenIndustrie.

Sie werden in einer großen Vielfalt als Bausteine für Agro- und

Pharmachemikalien sowie für Tenside, Beschichtungen und

Schmierstoffehergestellt.IndemvomBMBFgeförderten

Projekt »Bi-Amin« sucht das Fraunhofer IGB zusammen mit

seinen Projektpartnern nach biotechnologischen Reaktions-

routen und Katalysatoren, die die Produktionsverfahren

nachhaltigergestaltenkönnen.

Negative Energiebilanz: Alternativen zur chemischen

Synthese gesucht

Amine werden großtechnisch auf Basis fossiler Rohstoffe

produziert.FürdiesechemischeSynthesesindhoheTem-

peraturen und Drücke erforderlich; dies verschlechtert die

EnergiebilanzderProduktionsverfahren.Außerdemsinddie

Reaktionenmeistnichtenantioselektiv,wasdiespezifische

Produktbildungund-ausbeutesenkt.

Biotechnologisches Verfahren setzt auf nachwachsende

Rohstoffe

Im Projekt »Bi-Amin« erarbeitet der Institutsteil BioCat in

Straubing in Zusammenarbeit mit der TU München und einem

Industriepartner ein biotechnologisches Verfahren für die Pro-

duktionvonAminen.BiotechnologischeVerfahreneröffnen

die Möglichkeit, anstelle fossiler Rohstoffe auch verschiedene

nachwachsendeRohstoffealsSubstrateeinzusetzen.Au-

ßerdem arbeiten Biokatalysatoren, Enzyme, die vielfach aus

MikroorganismenoderPflanzengewonnenwerden,ambes-

ten bei niedrigen Temperaturen und unter Normaldruck, also

unter»natürlichen«Bedingungen.DieskanndieEnergiebilanz

desHerstellungsprozessesverbessern.

Zellfreie Biosynthese ersetzt Fermentation

Im Gegensatz zu fermentativen Verfahren, in denen Mikro-

organismen als ganze Zellen zum Einsatz kommen, sollen

die Amine nach dem Konzept der zellfreien Biosynthese

hergestelltwerden:Hierbeisetzenwirgereinigtespezifische

Enzyme ein, die zu rein enzymatischen Reaktionskaskaden

zusammengesetztwerden.ZieldesProjektteamsist,solche

enzymatischen Reaktionsrouten für die Biosynthese von

Aminen zu entwickeln und in einem weiteren Schritt in den

Pilotmaßstabzuüberführen.

Ausblick

Die Enzyme sollen nachwachsende Rohstoffe mit möglichst

hohenAusbeutenzudengewünschtenAminenumsetzen.

Der Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB arbeitet

daran, geeignete Enzyme und deren Bereitstellung für die

Reaktionsroutenzuoptimieren.EinweitererSchwerpunktder

Straubinger Forscher ist es, neue Verfahren zur Aufarbeitung

der Amine aus den zellfreien Reaktionsgemischen zu entwi-

ckeln.DenndiesetragenwesentlichzurWirtschaftlichkeitdes

biotechnologischenVerfahrensbei.

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

71

Dr. rer. nat. Fabian Steffler

Telefon+499421187-358

fabian.steffler@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Volker Sieber

Telefon+499421187-300

volker.sieber@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF)fürdieFörderungdesProjekts»Bi-Amin–BiogeneAmi-

nenachhaltigproduziert«,Förderkennzeichen031B0071C.

Projektpartner

TU München | CASCAT GmbH, Straubing

3

1 Bioreaktor für die Enzymproduktion.

2 Durchmischung wässriger und gasförmiger

Phasen im Bioreaktor.

3 Probenfraktionierung für die Analytik.

4 Proteinaufarbeitung am Beispiel von grün

fluoreszierendem Protein (GFP).

4

72

Chemische Oberflächenfunktionalisierung

Die Beschichtung über Plasmapolymerisation ist ein etabliertes

undweitverbreitetesVerfahren,umOberflächenmitspezifi-

schenEigenschaftenauszurüsten.Dazuzählenbeispielsweise

diverse öl- und wasserabweisende Beschichtungen, wie sie

amFraunhoferIGBentwickeltwerden.NebenBeschichtun-

gen, bei denen es mehr auf einen makroskopischen Effekt

ankommt,sindauchBeschichtungengefragt,diespezifische

chemische Funktionsgruppen besitzen und somit besondere

Charakteristikaaufweisen.ChemischeFunktionsgruppen,die

dieAnbindungverschiedenerSubstanzenaneineOberfläche

ermöglichen,sindu.a.Amino-,Epoxyd-,Carboxyl-undThi-

olgruppen.AnwendungsmöglichkeitengibteszumBeispiel

im biotechnologischen Bereich oder auf dem Gebiet der

Klebtechnik.

DadieherkömmlichenVerfahrenteilweisenichteffizient

genug und nur eingeschränkt einsetzbar sind, forscht das

Fraunhofer IGB an einem alternativen Plasmaverfahren, bei

demOberflächenmittelsringöffnenderPolymerisationfunkti-

onalisiertwerden.

Ausgangssituation

Der übliche Weg eine chemisch funktionalisierte Plasma-

polymerschicht zu erzeugen besteht darin, dass die Aus-

gangssubstanz(Präkursor)diegewünschteFunktionsgruppe

bereitsenthält.HäufigistdabeinocheineDoppelbindungals

»Sollbruchstelle«enthalten.BeispielehierfürsindPlasmapoly-

mereausAllylamin(Aminogruppen)oderAcrylsäure(Carbo-

xylgruppen).DasProblemhierbeiist,dassderEnergieeintrag

aus dem Plasma, der zum Aktivieren der Sollbruchstelle führt,

nahe der Energieschwelle liegt, bei der die Funktionsgruppe

imPlasmazerstörtwerdenkann.UmdieFunktionsgruppen

zu erhalten, muss der Energieeintrag also möglichst gering

gehaltenwerden.Daswirktsichallerdingsgleichzeitignegativ

auf den Polymerisations- und Vernetzungsgrad der erzeugten

SchichtundauchaufdieAbscheiderateaus.Zudemsinddie

auf diesem Wege eingesetzten Präkursoren aufgrund ihrer

Reaktivitätgiftigund/oderinstabil.

Auch andere Verfahren zur Erzeugung von funktionalisierten

Plasmapolymerschichten, wie das Pfropfen oder der Einsatz

chemischeinfacherGasebzw.Gasgemische,sindnureinge-

schränkteinsetzbar.

Vorgehensweise

Ein alternativer Weg zur Erzeugung funktionalisierter Plas-

mapolymere besteht darin, dass die erwünschte chemische

Funktion in der Ausgangssubstanz gar nicht vorhanden ist,

sondernerstdurchdiePlasmaeinwirkungentsteht.Durcheine

ringöffnende Polymerisation mittels Elektronenstoß im Plasma

können hochreaktive Zwischenprodukte entstehen, welche

die Vorläufer zur erwünschten chemischen Funktion enthal-

ten.AufdenOberflächen,diedemPlasmaausgesetztsind,

bilden sie eine Polymerschicht, die eine hohe Dichte an diesen

Funktionsgruppenaufweist.

Das Grundprinzip wird am Beispiel der Erzeugung von alde-

hydfunktionalisierten Schichten aus Cyclopentanon erklärt

(Abb.1).DurchElektronenstoßimPlasmawirdderRing

(vorzugsweiseanderzurKetogruppebenachbartenBindung)

geöffnet.DadurchentstehteinBiradikal,dasmiteinem

Wasserstoffatom aus dem Plasma unter Bildung eines alde-

hydhaltigen radikalischen Zwischenprodukts reagieren und

STABILE PLASMAPOLYMERE DURCH RINGÖFFNUNGJakob Barz, Bent s ian Elk in, Michael Haupt, Chr is t ian Oehr

1

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

OO

C

Elektronen-stoß

OHC

O

CH

Substrat+H

73

Dr. rer. nat. Jakob Barz

Telefon+49711970-4114

jakob.barz@igb.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Michael Haupt

Telefon+49711970-4028

michael.haupt@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

Elkin,B.;Müller,M.;Oehr,C.(2006)Verfahrenzurchemischen

FunktionalisierungvonOberflächendurchPlasmapolymerisation,

DE102004057155

in die wachsende Plasmapolymerschicht eingebaut werden

kann.AnalogdazuwurdenamFraunhoferIGBauchPlasma-

polymere mit primären Aminogruppen, Hydroxylgruppen,

ThiolgruppenundweitereFunktionsschichtenerzeugt.

DerVorteildesVerfahrens:DadiechemischeZielfunktions-

gruppe in den Präkursor-Molekülen nicht vorhanden ist, be-

nötigt man im Unterschied zur herkömmlichen Methode keine

besondersschonendenPlasmabedingungen.ImGegenteil,

optimale Ergebnisse werden eher bei höheren Energiedichten

erzielt.DiesführtauchzuweiterenpositivenEffekten:hohen

Abscheideratenbzw.kurzenProzesszeiteneinerseitsundgut

haftenden,hochstabilenPlasmapolymerschichtenanderseits.

Ergebnisse

Die so erzeugten Plasmapolymerschichten wurden mit

unterschiedlichen analytischen Methoden wie Ellipsometrie,

FTIR-Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie

undchemischerDerivatisierungcharakterisiert.Dabeikonnten

wir eine hohe Dichte der gewünschten chemischen Funktio-

nennachweisen.Weiterhinwurdendieaufunterschiedlichen

Substraten(Polymer,Metall,Keramik)abgeschiedenenSchich-

ten hinsichtlich ihrer Stabilität in unterschiedlichen Medien

(alkalische und saure wässrigen Lösungen, Lösemittel wie

AlkoholeoderAceton)überprüftunderwiesensichindiesen

alsbeständig.

Ausblick

Die Erzeugung von Plasmapolymeren über Ringöffnung

eröffnet viele Anwendungsfelder, in denen stabile Funktions-

schichtengefordertsind.DieBeschichtungenlassensichauf

unterschiedlichen Materialien in vielen verschiedenen Formen,

von massiven Körpern über Folien bis hin zu Textilien und

Fasernaufbringen.DasFraunhoferIGBistsomitinderLage,

für Kunden maßgeschneiderte Beschichtungen für deren

Produkteanzubieten.

1 Reaktionsschema des

Ringöffnungsplasmas.

2 FTIR-Spektrum des

Plasmapolymers aus

Pyrrolidin.

2

Refl

exio

n

Wellenzahl in cm–1

10001500200025003000350040000,5

0,6

0,8

0,7

0,9

1,0

Pyrrolidin

Aminogruppe,DeformationsschwingungAminogruppe,

Valenzschwingung

74

PRODUKTION VON ITACONSÄURE – FERMENTATIVE HERSTELLUNG UND SCALE-UPKat ja Patzsch, Andy Leschnik , Georg-Ul l r ich Geiger, B jörn Vater, Susanne Z ibek

Ausgangsituation

Europa bereitet sich auf die Umstellung von einer fossilen auf

einebiobasierteÖkonomievor.Aufgrundderumfassenden

Möglichkeiten und der Komplexität wird erwartet, dass

dieser Wandel mindestens ein bis zwei Jahrzehnte dauern

wird.DiegegenwärtigeAusgangspositionfürEuropabei

der biotechnologischen Produktion wertvoller Chemikalien

ausnachwachsenderBiomasseistsehrgut.SohatEuropa

eine führende Rolle im Bereich der Forschung innerhalb der

industriellen(weißen)Biotechnologie.Darüberhinauszeichnet

sich Europa durch die globale Spitzenposition seiner Chemie-

und Lebensmittelindustrie und die fortschrittliche logistische

Infrastrukturaus.DennochbestehteindringenderBedarfan

der wirtschaftlichen Umsetzung der Forschungsergebnisse für

industrielle Prozesse, um die Spitzenposition nicht an schneller

agierendekonkurrierendeÖkonomienabzugeben.

Projekt Bio-QED

Vor diesem Hintergrund will das Konsortium des EU-geför-

derten Projekts Bio-QED zeigen, dass biobasierte Basischemi-

kalien wirtschaftlich und zugleich nachhaltig in industriellem

Maßstabhergestelltwerdenkönnen.Diesumfasstauch,

sämtliche technische und wirtschaftliche Schlüsselparameter

zusammenzustellen, die für Investitionsentscheidungen über

die ersten industriellen Produktionsanlagen zur Herstellung

derbiobasiertenBasischemikalien1,4-ButandiolundItacon-

säurebenötigtwerden.DieProjektpartnerdeckendiekom-

pletteWertschöpfungskettefürbiobasiertes1,4-Butandiol

undbiobasierteItaconsäureab(Abb.1).

Itaconsäure

Itaconsäure ist eine wichtige Dicarbonsäure, die als Platt-

formchemikalie,z.B.alsCo-MonomerzurSynthesevon

Emulsionspolymeren, als Ersatz für petrochemisch hergestellte

Acrylsäure oder zur Herstellung von Farben und Lacken sowie

biologisch abbaubaren Polymeren in der Verpackungsindustrie

verwendetwerdenkann.DieProduktionvonItaconsäure

erfolgt biotechnologisch durch die Fermentation von Zucker-

substraten mit dem Pilz Aspergillus terreus(Abb.2).

Fermentation von Itaconsäure

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB be-

schäftigt sich mit der Entwicklung von Fermentationsverfahren

imLabormaßstab.ImBio-QED-Projektwurdezumeinendie

Sporengewinnung von Aspergillus terreus für die Produktions-

vorbereitung untersucht und eine vereinfachte Vorbereitung

erzielt, bei der das Pilzmyzel nicht mehr von den Sporen zur

Inokulationabgetrenntwerdenmuss.Ebensowurdenver-

schiedene Lagerparameter wie Temperatur, Salzkonzentration

und die Zugabe von Glycerol für Sporen / Sporen-Myzel-

Gemischeuntersucht.Vergleichenddazufandenvorbereitend

für die Skalierung in den industriellen Maßstab Untersuchun-

genzumTransfervonBiomasseimVerhältnis1:10ineiner

Wachstums-Kaskadestatt.

Weiterhin untersucht die Gruppe die Optimierung der Ita-

consäure-Produktion.DafürwirdunteranderemderEinfluss

despH-WertesaufdieItaconsäure-Produktionbetrachtet.In

ExperimentenimSchüttelkolbenmaßstabkonnteeinefinale

Itaconsäure-Konzentration von 137 g / L bei einer Kultivie-

rungszeitvon14Tagenerzieltwerden(Abb.3).Dieswurde

durch eine Anhebung des pH-Wertes erreicht, nachdem der

1

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

Biomasse

Vorbehand-lung

Neues Produktions-verfahren für Itaconsäure

Einsatzgebiete � Polyitaconsäure � Methyl-1,4-Butandiol � Methyl-1,4-Butandiamin � Methyl-THF � Methyl-GBL � Methyl-NMP � Methylpyrrolidin � Methacrylsäure � Polybutylen- und itacon-säurebasierte Diamine

Itaconsäure-Kristalle

Neues Produktions-verfahren für 1,4-Butandiol

1,4-Butandiol-Kristalle

75

Dr.-Ing. Katja Patzsch

Telefon+49346143-9104

katja.patzsch@cbp.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Susanne Zibek

Telefon+49711970-4167

susanne.zibek@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Hevekerl,A.;Kuenz,A.;Vorlop,K.-D.(2014)Influenceofthe

pH on the itaconic acid production with Aspergillus terreus, Appl

MicrobiolBiotechnol98:10005–10012

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des

Forschungsprojekts»Bio-QED–QuodEratDemonstrandum:

Large scale demonstration for the bio-based bulk chemicals BDO

and IA aiming at cost reduction and improved sustainability« im

7.Forschungsrahmenprogramm(FP7/2007–2013),Zuwendungs-

vereinbarung613941.

Projektpartner

Novamont, Italien | Mater Biotech, Italien | Cargill, Belgien |

TNO, Niederlande | Itaconix, USA | Lubrizol Advanced Materials

SpainS.L.,Spanien | MiPlast,Kroatien | VLCI,Niederlande |

Patentopolis, Niederlande | nova-Institut für politische und

ökologische Innovation GmbH | Rina Services, Italien

Weitere Informationen

www.bio-qed.eu

pH-Wertunter1,8gesunkenwar.DasVerfahrenistausder

Literaturbekannt[1].DurchdieAnpassungdespH-Wertes

konntedieItaconsäure-Produktionerhöhtwerden.

Scale-up

Am Fraunhofer CBP erfolgte das Scale-up des Fermentations-

prozessesbisindenMaßstabvon1m³(Totalvolumen).Die

Fermentationsprozesse im 100-Liter- und 300-Liter-Maßstab

erzielten vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich Itaconsäure-

produktionundGlucoseverbrauch(Abb.3).Im1-m³-Maßstab

wurde eine etwas niedrigere Itaconsäureproduktion erreicht,

da sich mit höherem Fermentationsvolumen die Pilzmorpho-

logieleichtverändert.Währendbiszum300-Liter-Maßstab

A. terreus in Pelletform wächst, war die Wachstumsform im

1-m³-Maßstabmehrmyzelartig.Daherarbeitenwirderzeitan

der Anpassung der Scale-up-Parameter, um eine gleichblei-

bende Morphologie des Pilzes sowie Itaconsäureproduktion

zugewährleisten.

Weiterführende Arbeiten betrachten die Übertragung des

FermentationsprozessesaufandereZuckersubstrate1.und2.

Generation, eine weitere Maßstabvergrößerung bis 10 m³ und

dieEntwicklungderProduktaufarbeitungimPilotmaßstab.

1 Wertschöpfungsketten, welche im

Projekt Bio-QED abgebildet werden.

2 Mikroskopische Darstellung des Pilzes

Aspergillus terreus.

3 Itaconsäureproduktion in verschiedenen

Fermentationsmaßstäben.

2 3

Itac

on

säu

reko

nze

ntr

atio

n in

g / L

Kultivierungszeit in h

0 4824 72 96 120 192144

140

0

20

40

80

60

100

120

Schüttelkolben 100 L 300 L 1 m3

312288168 264240216

10 μm

76

Umweltverträgliche Textilausrüstung

Die Veredelung von Textilien, etwa um sie mit wasser- und

schmutzabweisenden Eigenschaften auszurüsten, erfordert

zumeistdenEinsatzvonumweltschädlichenChemikalien.

Der Natur entlehnte Hydrophobierungsmittel bieten sich

alsumweltverträglicheAlternativenan.InnovativeAnsätze

für die schadstoffarme Herstellung von wasserabweisenden

Funktions molekülen, die für Mensch und Umwelt in jeder

Hinsicht unbedenklich sind, haben daher in der Textilindustrie

einesehrgroßeBedeutung.AusdiesemGrunderforscht

der Straubinger Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB

zusammen mit den Hohenstein Instituten in Bönnigheim

die Herstellung und Anwendung solcher bioinspirierter

Hydrophobierungsmittel.

Die Natur als Vorbild

DasGrundkonzeptdesProjektsistderNaturentliehen.Die

angestrebten Hydrophobierungsmittel bestehen aus funk-

tionalen Proteinen und können mittels biotechnologischer

Verfahren aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt

werden.DiehydrophobenProteinekommeninderNaturals

HydrophobinebeispielweiseinPilzenvor.Dortspielensie

unteranderemeinewichtigeRollebeiderBeeinflussungder

OberflächenspannungvonWasserwährendderAusbildung

vonLuftmyzelien.Hydrophobinekönnenalsamphiphile

Proteine durch nicht-kovalente Wechselwirkungen auf einer

Materialoberflächesehrhydrophobe(wasserabweisende)

Schichten ausbilden, wenn ihr hydrophober Teil dabei von der

Materialseiteweggerichtetist.

UmdieHydrophobinespezifischundgerichtetancellulose-

haltige Textilien zu binden, werden ebenfalls Proteine aus der

Natur genutzt – sogenannte Cellulose-Ankerproteine, die zum

BeispielinnatürlichenEnzymenwieCellulasenvorkommen.

Die entstehenden bifunktionalen Fusionsproteine können

dann auf verschiedene Textilien appliziert werden und sollen

dorteinzigartigehydrophobeEigenschaftenaufweisen.In

einer Machbarkeitsstudie konnten bereits Ankerproteine

hinsichtlich der selektiven und festen Bindung an Cellulose-

Textilienerfolgreichgetestetwerden.

Biologische Alternative zu Chemikalien

Die bioinspirierten Funktionsproteine werden entwickelt, um

in Zukunft eine nachhaltige und robuste Alternative zu den

bisheutegängigenper-undpolyfluoriertenChemikalien

darzustellen, die für die wasserabweisende Ausrüstung von

Textilienbenutztwerden.DiesesindaufgrundihrerHerstel-

lungsverfahren und Umweltverträglichkeit sehr umstritten

undunterliegeneinemwachsendenregulatorischenDruck.

Im Projekt werden alle notwendigen Arbeiten der Molekular-

biologie,Protein-,Oberflächen-undTextilchemieabgedeckt.

Das Vorhaben wird von einem projektbegleitenden Ausschuss

beraten, der sich aus Vertretern der Textilindustrie und des

Biotechnologiesektorszusammensetzt.SomitsinddieRah-

menbedingungen für die Umsetzung der Projektziele und für

die Möglichkeit der industriellen Machbarkeit von vornherein

inidealerWeisegegeben.

BIOINSPIRIERTE FLUORCARBONFREIE HYDROPHOBIERUNGSMITTEL FÜR TEXTILIENMichael R ichter, Chr is t ina Fa l t l , Patr ic ia Huber, Michael Hofer

1

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

77

Dr. rer. nat. Michael Richter

Telefon+499421187-353

michael.richter@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Volker Sieber

Telefon+499421187300

volker.sieber@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,

das aufgrund eines Beschlusses des Bundestags das interdiszi-

plinäreIGF-ProjektNr.18884NderForschungsvereinigungFor-

schungskuratoriumTextile.V.fördert.DieFörderungerfolgtüber

die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen

(AiF)imRahmenderindustriellenGemeinschaftsforschungund

-entwicklung(IGF).

Projektpartner

Hohenstein Institut für Textilinnovation gGmbH, Bönnigheim |

William-Küster-Institut für Hygiene, Umwelt und Medizin,

Bönnigheim

Ausblick

Zielprodukte sind Outdoor-Textilien, technische Textilien,

OP-Textilien sowie antimikrobielle Textilien, deren Fasern vor

Zersetzung geschützt sind, beispielsweise für den Automobil-

bereich.DieTechnologielässtsichleichtaufAnwendungenin

anderen Geschäftsfeldern übertragen, bei denen die Funktio-

nalisierungvonCelluloseeineRollespielt.

1 Wasserabweisend funktionalisierte

Textilien.

2 Schema der proteinbasierten Textil-

funktionalisierung.

2

Wasser

Hydrophobin

Cellulose-Ankerprotein

Textil

78

Ausgangssituation

In immer mehr industriellen Anwendungen steigt die Nach-

fragenachHochleistungsverbundwerkstoffen.Dieserfordert

neue, verbesserte Produktionsmöglichkeiten zur Herstellung

vonKohlenstofffasern.Zurzeitwerdenaufgrundderher-

ausragendentechnischenEigenschaftenüber80Prozent

derKohlenstofffasernaufBasisvonPolyacrylnitril(PAN)als

Ausgangsstoff(Precursor)hergestellt.Allerdingsistdieses

Polymer teuer und nur in begrenzter Menge verfügbar, was

die Anwendung von Kohlenstofffasern aktuell auf wenige

Premiumsektoren begrenzt, in denen die beträchtlichen Kos-

ten zugunsten der hohen Leistungsfähigkeit toleriert werden

können.UmKohlenstofffasernauchinweiterenBranchenwie

dem Automobilbau oder dem Bau von Windkraftanlagen ein-

setzen zu können, müssen günstigere Precursor-Materialien

entwickeltwerden.

Vorgehensweise

ImEU-Projekt»CARBOPREC«arbeiten14Partneraus

sieben Ländern gemeinsam an der Entwicklung von zwei

neuen Precursor-Materialien auf Basis von nachwachsenden

Rohstoffen, die in Europa in Form von Lignocellulose gut

verfügbarsind:CelluloseundLignin.Dabeiwerdeninbeiden

FällenKohlenstoffnanoröhren(engl.CarbonNanotubes,CNT)

als Verstärkung eingesetzt und neue Produktionsverfahren

entwickelt.

Die Herstellungsverfahren der Precursoren sind dabei stark

abhängig von der makromolekularen Struktur der einge-

setztenRohstoffe.CellulosewirdimRahmendesProjekts

aus kommerziell erhältlichen Zellstoffen in Reinform isoliert

und dann in einem phosphorsäurebasierten Nassspinnver-

fahrenalsMultifilamentgesponnen.Ligninwirdmithilfedes

Organosolv-Verfahrens in Reinform aus Holz isoliert, mit CNT

und weiteren Polymeren compoundiert und anschließend aus

derSchmelzealsMultifilamentgesponnen.

Die verschiedenen Prozessstufen von der Gewinnung der Roh-

stoffe, über die Faserherstellung, -stabilisierung und -karboni-

sierung bis hin zur Endanwendung in Demonstrator-Bauteilen

sindGegenstanddesVorhabens.

Modifiziertes Organosolv-Verfahren optimiert

Lignineigenschaften

Das Fraunhofer CBP arbeitet im Projekt federführend an der

Isolierung und Eigenschaftsoptimierung der Rohstoffe Lignin

undCellulose.MitdemamInstitutsteilLeunaimPilotmaßstab

etablierten Organosolv-Verfahren wurde durch Variation der

Prozessbedingungen und durch die Auswahl verschiedener

Lignocellulosen zunächst systematisch an der Optimierung der

Lignineigenschaftengearbeitet.Anschließendwurdenüber

150 Kilogramm der optimierten Lignine hergestellt und dem

KonsortiumzurHerstellungvonDemonstratorenübergeben.

Die so produzierten Lignine weisen dabei gegenüber kom-

merziell bereits erhältlichen Ligninen besonders vorteilhafte

Spinneigenschaftenauf.

Ebenso wurden in Leuna ein an der Universität Hamburg

entwickeltes Extraktionsverfahren von Zellstoff erfolgreich in

den Pilotmaßstab übertragen und somit 120 Kilogramm Che-

miecellulosefürdieNassspinnversucheimProjekthergestellt.

CARBOPREC – KOHLENSTOFFFASERN AUS NACHWACHSENDEN RESSOURCENMorit z Leschinsky, Chr is t ine Roßberg, Maik Tretbar, Danie la Pufky-Heinr ich, Jakob Barz

21

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

79

Dr. rer. nat. Moritz Leschinsky

Telefon+49346143-9102

moritz.leschinsky@igb.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Jakob Barz

Telefon+49711970-4114

jakob.barz@igb.fraunhofer.de

KontaktFaserstabilisierung durch Plasmatechnologie

Ein bisher kritischer Punkt für die Karbonisierung von Lignin-

fasern ist die Stabilisierung des zunächst noch thermoplasti-

schenPrecursors.UmdieseimPlasmazuermöglichen,wurde

am CBP in Leuna ein neues Ligninderivat entwickelt, dessen

funktionelleGruppenimPlasmareagierenundvernetzen.

Nachdem durch umfassende Plasmauntersuchungen in der

IGB-AbteilungGrenzflächentechnologieundMaterialwissen-

schaft der Nachweis der Reaktion erbracht wurde, konnte

die Ligninderivatisierung am CBP in den Kilogramm-Maßstab

skaliertundweiteroptimiertwerden.DieReaktionimPlasma

führt zu einer deutlichen Zunahme des Molekulargewichts

imLigninderivatundsomitzurgewünschtenVernetzung.

Neben der Faserstabilisierung, die aktuell im Projekt unter-

sucht wird, bietet der Ansatz auch Möglichkeiten in anderen

Anwendungen.

Ausblick

Es wird erwartet, dass die am CBP und IGB gemeinsam entwi-

ckelten Materialien und Verfahren nachhaltig zur Entwicklung

vonbiobasiertenKohlenstofffasernbeitragen.Darüberhinaus

sind das im Projekt gewonnene Verständnis für die Struktur-

Eigenschafts-Beziehungen von Lignin sowie die entwickelten

und skalierten Verfahren von großem Wert auch für zukünfti-

ge Entwicklungen, Anwendungen und Projekte im Geschäfts-

feldderChemieundProzessindustrie.

1 Pilotanlage zum Organosolv-Aufschluss von

Holz am Fraunhofer CBP in Leuna.

2 Filterpresse zur Abtrennung von Organosolv-

Lignin am Fraunhofer CBP in Leuna.

3 Schmelzspinnen von Ligninfasern.

4 Plasmarohrreaktor zur Materialmodifikation.

3 4

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des

Forschungsprojekts»CARBOPREC«im7.Forschungsrahmen-

programm(FP7/2007–2013),FörderkennzeichenGAN°604215.

Projektpartner

Canoe, Pessac, Frankreich | Arkema, Colombes, Frankreich |

Avana Industries, Budapest, Ungarn | Ayming, Asnières-sur-

Seine, Frankreich | Balakovo Carbon Production LLC, Balakovo,

Russland | CETI, Lille, Frankreich | CTAG, Pontevedra, Spanien |

MDP, Terni, Italien | Plastinov, Samazan, Frankreich | Renault,

Boulogne, Frankreich | Sigmatex, Middlewich, Cheshire, Groß-

britannien | Universität Freiburg, Deutschland | Universität

Hamburg, Deutschland

Weitere Informationen

www.carboprec.eu

8 0

Alternative Nutzung von Biogas

MethanistderHauptbestandteilvonBiogas.Dieseswirdheu-

te zum überwiegenden Teil als Energieträger zur Produktion

vonWärmeundStromgenutzt.DieenergetischeNutzung

vonBiogasisteffizient,wenndieWärmedasganzeJahrüber

sinnvoll genutzt wird, was aber nicht bei allen Biogasanlagen

derFallist.DaherwirdseitlangemanMöglichkeiteneiner

stofflichenNutzungdesenthaltenenMethansgeforscht.Da-

mit leistet das Fraunhofer IGB einen wichtigen Beitrag für den

ÜbergangzueinerbiobasiertenProduktion.

Kombination von chemokatalytischer und

enzymatischer Umsetzung

Im Verbundprojekt »Enzymatisch-chemokatalytische Oxidati-

onskaskaden in der Gasphase – ECOX« wurden, gemeinsam

mit dem Leibniz-Institut für Katalyse LIKAT in Rostock sowie

der Martin-Luther-Universität in Halle, die Grundlagen für

VerfahrenzurUmsetzunggasförmigerSubstrategelegt.

Der Projektpartner LIKAT entwickelte einen chemischen

KatalysatorzurUmsetzungvonBiogaszuFormaldehyd[1,2].

Die zur Umsetzung des Formaldehyds notwendigen enzyma-

tischenProzesseentwickeltedasFraunhoferIGB.Durcheine

Formaldehyd-Dismutase aus Pseudomonassp.gelangdabei

die Herstellung von Methanol und Ameisensäure aus Formal-

dehyd.DieimEnzymreaktorentstehendeAmeisensäurekann

als Wertstoff genutzt oder in den chemokatalytischen Prozess

zurückgeführtwerden.AußerdemistdieNutzungdesVerfah-

renszurHerstellungvonMethylformiatdenkbar.Diesesent-

steht in wässriger Lösung spontan aus Methanol und Amei-

sensäure–bisherallerdingsnuringeringenKonzentrationen.

Der Projektpartner LIKAT will diesen Ansatz weiterverfolgen

und in Zukunft auch chemokatalytische Prozesse für eine sol-

cheHerstellungsweisevonMethylformiatentwickeln.

Entwicklung von Membranreaktoren

Für die wirtschaftliche Umsetzung von Methan zu chemi-

schen oder pharmazeutischen Wertstoffen bedarf es der

Entwicklung spezieller Reaktorkonzepte, beispielsweise für

Membranbioreaktoren.Dieseermöglichenes,dieentstehen-

den Produkte kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch aus-

zuschleusen und somit die Herstellung mit der Aufarbeitung

zuverbinden.DasZielist,eineeffektivestofflicheVerwertung

von Methan durch aerobe methanotrophe Mikroorganismen

zuermöglichen[3].

Die die Reaktionen im Reaktor kennzeichnenden Stoffda-

ten, wie etwa die Löslichkeit von Methan in Wasser bei

unterschiedlichen Temperaturen und Drücken, können mit

dem neuen foxySPEC-Massenspektrometer, das von den

Fraunhofer-Instituten ICT und IGB gemeinsam entwickelt

wurde,simultanaufgezeichnetwerden.Diesesverfügtüber

einenmodifiziertenMembraneinlass,dereserstmalsermög-

licht,gleichzeitigbiszu30verschiedeneflüchtigeBestandteile

sowohl aus der Gasphase als auch aus der Flüssigphase in

Echtzeitzumessen.

Auf der Basis der so erhobenen Daten lassen sich Parameter

ableiten, die im Rahmen einer computergestützten Simulation

dieOptimierungderBauformdesReaktorsmöglichmachen.

Derzeit entwickelt das Fraunhofer IGB auf diese Weise Bio-

reaktoren, die für alle Verfahren der aeroben biotechnischen

UmsetzunggasförmigerSubstrateeinsetzbarsind.

STOFFLICHE NUTZUNG VON METHAN ZUR HERSTELLUNG VON PLATTFORMCHEMIKALIENMatthias St ier, Dieter Br yniok

1

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

Verbrennungsenthalpie Methan:

–890,4 kJ / Mol => –2671,2 kJ

VerbrennungsenthalpieMethanol:

–726,4 kJ / Mol => –2905,6 kJ

3 CH4Methan

1 CO2Kohlenstoff-

dioxid

2 H2OWasser

4 HCOOHAmeisensäure

4 CH3OHMethanol

4 H2OWasser

8 CH2OFormaldehyd

Chemokatalyse im Membran-

reaktor bzw. im Rohrreaktor

Enzym - reaktor

Stoff-trennung

eventuell Reaktion zu 4 H2 + 4 CO2

81

Dipl.-Ing. Matthias Stier

Telefon+49711970-4075

matthias.stier@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. Dieter Bryniok

Telefon+49711970-4211

dieter.bryniok@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Leibniz-InstitutfürKatalyse,Zweijahresbericht2013und2014,

S.36–37;verfügbarunter:www.catalysis.de/institut/

oeffentlichkeitsarbeit,abgerufenam31.Januar2017

[2]Nguyen,L.etal.(2006)J.Catal.237(1):38–48

[3]Burrows,K.J.etal.(1984)Microbiology130(12):3327–3333

[4]Lee,E.-H.etal.(2010)J.Hazard.Mater.184(1):313–320

Förderung

WirdankenderDeutschenBundestiftungUmwelt(DBU)fürdie

Gewährung eines Promotionsstipendiums und dem Bundesminis-

teriumfürBildungundForschung(BMBF)fürdieFörderungdes

Projekts»ECOX«,Förderkennzeichen031A168A.

Weitere Informationen

www.foxyspec.fraunhofer.de

Automatisierte Versuchsanlage für

Gasphasenreaktionen

Für die verfahrenstechnische Entwicklung dieser Prozesse

wurde am Fraunhofer IGB eine vollautomatisierte Versuchsan-

lage für Gasphasenreaktionen konstruiert und aufgebaut, in

der Temperatur, Druck und Substratzugabe exakt gesteuert

werdenkönnen.ImECOX-ProjektintegriertedasIGBdas

foxySPEC-MassenspektrometerindieAnlage.AufdieseWeise

ließen sich die Konzentrationen sowohl der Substrate Formal-

dehydundMethanalsauchderProduktemessen.Soisteine

vollständige Bilanzierung von chemischen und biologischen

Reaktionenzuverlässigmöglich.

Fortschritte in der Prozessentwicklung

Nach der gelungenen Umsetzung von Methan zu den Basis-

chemikalien Methanol und Ameisensäure konnte die Produk-

tion beider Stoffe am Fraunhofer IGB in der Versuchsanlage

weiterverbessertwerden.AlsentscheidenderSchritterwiesen

sich dabei die Messmöglichkeiten des foxySPEC Massen-

spektrometers.MitdessenHilfeistdieKopplungdesche-

mokatalytischen Prozesses zur Herstellung von Formaldehyd

aus Methan mit dem enzymtechnischen Prozess erfolgreich

gelungen.

Ausblick

Der technische Prozess zur Herstellung von Methanol und

Ameisensäure aus Biogas stellt einen Modellfall für weitere

enzymtechnische Prozesse mit gasförmigen Substraten in der

Gasphase und in Kombination mit chemokatalytischen Re-

aktionendar.EinvielversprechenderweiterführenderAnsatz

liegt in der Verwendung von methanotrophen Bakterien und

derenSchlüsselenzymMethanmonooxygenase(MMO)zur

HerstellungunterschiedlicherBasischemikalien[4].Damitist

einwichtigerSchritthinzurstofflichenVerwertungbiogener

Materialien über gasförmige Zwischenprodukte wie Biogas

oderSynthesegasgelungen.

1 Kombinierter chemokatalytisch-enzymatischer Prozess zur

Herstellung von Methanol und Ameisensäure aus Biogas.

2 Enzym-Druckreaktor.

3 Echtzeit-Massenspektrometer foxySPEC.

4 Metanothrophes Bakterium.

3 42

Methan Sauerstoff

Wasser

NA

D(P)H

NA

DP

+

Wasser

Methanol

8 2

Ausgangssituation und Projektziel

In den kommenden Jahrzehnten wird die Nutzung von CO2 als

Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Schlüsselchemikalien

unter direkter Nutzung regenerativer Energie strategische Be-

deutungerlangen.Vorteilhafterweisewerdendabeieinerseits

Treibhausgasemissionen reduziert und andererseits CO2-neut-

raleVerbindungenerzeugt.PrinzipiellstehenCO2-Quellen aus

Fermentationsprozessen(z.B.alkoholischeGärunginBrauerei-

enoderBrennereien)zurVerfügung,derenCO2-Gehalt hoch

ist.JedochwirdnurdurchCO2-Rückgewinnung aus der Luft

bzw.AbgasströmeneinsignifikanterCO2-Anteil des Bedarfs

für zukünftige CO2-to-Chemicals-Prozesse bereitgestellt

werdenkönnen[1].EineNotwendigkeitistdarüberhinaus

die Nutzung regenerativer Energiequellen oder chemischer

ReduktionsäquivalentewiebeispielsweiseWasserstoff.Diese

fallen unter den heutigen Bedingungen meist dezentral an,

wasderVergleichmitderPower-to-Gas-Technologiezeigt[2].

Deshalb zielt das Projekt »Cost-effective CO2 conversion into

chemicals via combination of Capture, ELectrochemical and

BIochemical CONversion technologies – CELBICON« auf neue

CO2-to-Chemicals-Technologienab,die(a)einenmodularen

Aufbau und eine Skalierbarkeit für die dezentrale Anwen-

dung,(b)einehoheMaterial-undEnergieeffizienz,(c)geringe

Investitions-undBetriebskostenund(d)einegroßeRobustheit

undgleichzeitigVariabilitätaufweisen(Abb.1).

Technologieplattform

In dem im März 2016 begonnenen Projekt werden eine

Hochdruck-undeineNiederdruckprozessliniebetrachtet.

Das Fraunhofer IGB erarbeitet die Technologieplattform

fürdieNiederdrucklinie.Dabeiwirdeinenergie-undres-

sourceneffizienterintegrierterProzessentwickelt,umaus

atmosphärischem CO2 durch Kombination von elektrochemi-

scher und biotechnologischer Katalyse höherwertige Chemi-

kalienwieIsoprenoderMilchsäureherzustellen(Abb.2).Im

elektrochemischen Schritt wird dabei das von der Climeworks

AG bereitgestellte CO2 mittels Gasdiffusionskathode in eine

Mischung aus wasserlöslichen C1-Intermediaten wie Formiat,

FormaldehydoderMethanolumgewandelt.Gleichzeitigwird

an der Anode das Prozesswasser der Fermentation wieder

aufbereitet.DieC1-IntermediatederKathodenreaktion

werden über einen integrierten Fermentationsprozess direkt

inIsoprenbzw.MonoterpeneundMilchsäureumgewandelt.

Neben der innovativen Kombination von elektrochemischen

und biotechnologischen Verfahrensschritten werden zur Ent-

wicklung der Technologieplattform auch die Integration der

Reaktoren in ein System und das damit verbundene Wärme-

undStoffstrommanagementuntersucht.

Katalysatoren für elektrochemische Konversion von CO2

Ein Schlüsselschritt für die CO2-Aktivierung in der Nieder-

druckprozesslinie ist die Entwicklung einer Gasdiffusions-

elektrode und deren Integration in eine elektrochemische

ZelleinZusammenarbeitmitderGaskatelGmbH.Hierbei

müssen zum einen der Massentransport über Phasengrenzen

und der Mehrelektronentransfer auf CO2 optimiert und zum

anderen geeignete Katalysatoren entwickelt werden, um

den Energieeintrag in die Konversion von H2O und CO2 zu

denC1-Intermediatenzuminimieren.DasFraunhoferIGB

hat hierbei seit Projektstart unter Einsatz verschiedener Prä-

parationsmethoden bereits eine Vielzahl von Katalysatoren

hergestelltundcharakterisiert.Unteranderemkommen

kupferbasierte Katalysatoren zum Einsatz, welche auch unter

kontinuierlichenProzessbedingungengeprüftwerden.Fürdie

HERSTELLUNG VON CHEMIKALIEN AUS CO2TobiasGär tner, Lénárd- I s t vanCsepei, LucianaV ie ira, FabianStef f ler, ThomasMichael Scherer,

Siegfr ied Egner, Volker S ieber

1

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

DownstreamProcessingBiotechnologienElektrochemische

TechnologienCO2-Adsorption /

Desorption

H2 + CO2-Reduktions-

produkt

O2

(+ Oxidations- produkt)

H2O(+ CO2)

SeparationFermentationElektrokatalyse-

reaktor

Elektrizität

CO 2

Luft

Regenerative Energielösungen

Endprodukt

8 3

Dr. rer. nat. Tobias Gärtner

Telefon+499421187-352

tobias.gaertner@igb.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Volker Sieber

Telefon+499421187-300

volker.sieber@igb.fraunhofer.de

Kontaktsimultane Prozesswasserbehandlung wird der Einsatz von Bor-

dotierten Diamantelektroden untersucht, die eine optimale

Hydroxylradikal-Produktion gewährleisten und so eine effekti-

veProzesswasserbehandlungmöglichmachen.

Fermentative Konversion der C1-Intermediate

Im Bereich der fermentativen Konversion der C1-Intermediate

konzentriert sich das Fraunhofer IGB auf Methylobacterium

ssp.fürdieHerstellungvonIsoprenundMonoterpenenund

auf Lactobacillusssp.fürdieHerstellungvonMilchsäure.Um

die Stämme an das C1-Substrat anzupassen, werden verschie-

dene Varianten der Biokatalysatoren mittels Screeningmetho-

denuntersucht.DieentsprechendenFermentationsprozesse

werdendurchVariationderProzessparameteroptimiert.

Anschließend wird die Aufarbeitung der Fermentationspro-

dukte im Kontext des gesamten Wärme- und Stoffstromma-

nagements weiterentwickelt und in die Technologieplattform

integriert.

Die hier im Fokus stehende Entwicklung einer Technologie-

plattform unter Kombination von CO2-Rückgewinnung aus der

Luft, elektrochemischer Fixierung in wasserlöslichen C1-Inter-

mediaten und anschließender fermentativer Herstellung von

Basischemikalien wie Isopren und Feinchemikalien wie Milch-

säurestehterstamAnfang.JedochbildetdiesesKonzept

den Zugang zu einer CO2-neutralen Chemikalienproduktion,

welchedieheutigechemischeIndustrieneudefinierenkann.

1 Darstellung der Prozesskette im

Projekt Celbicon.

2 Der Celbicon-Ansatz ermöglicht eine

breite Palette an Produkten.

Literatur

[1]Wurzbacher,J.A.;Gebald,C.;Steinfeld,A.(2011)Energy

Environ.Sci.4:3584

[2]http://www.powertogas.info/abgerufenimDezember2016

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des

Projekts »Celbicon« im Forschungs- und Innovationsprogramm

Horizon2020,Förderkennzeichen679050.

Projektpartner

Politecnico di Torino, Italien | Technische Universität Delft, Nie-

derlande | Karlsruher Institut für Technologie KIT, Deutschland |

Universität Montpellier, Frankreich | Agencia Estatal Consejo Su-

periordeInvestigacionesCientificas,Madrid,Spanien | Avantium

Chemicals BV, Amsterdam, Niederlande | Climeworks AG, Zürich,

Schweiz | Gaskatel GmbH, Kassel, Deutschland | Gensoric

GmbH,Rostock,Deutschland | HysytechS.R.L.,Turin,Italien |

KrajeteGmbH,Linz,Österreich | M.T.M.SRL,Cherasco,Italien

Weitere Informationen

http://cordis.europa.eu/project/rcn/200178_en.html

2n elbic

Erneuerbare Energiequellen, CO2 und Wasser

PHA Biomethan

Isopren Milchsäure

Monoterpene Furancarbonsäure

Integrierte elektro- / chemo- und biokatalytische Technologien

8 4

Stofftrennung im elektrischen Feld

DieFree-Flow-Elektrophorese(FFE)isteinkontinuierliches

Verfahren,dasursprünglichausderAnalytikstammt.Esdient

der selektiven Trennung beziehungsweise Fraktionierung eines

Gemisches gelöster oder suspendierter Komponenten, die

eineLadungtragen.MitFFEkönnenzahlreicheStoffklassen

adressiertwerden.DieSpannereichtvonMetallionenwie

Gold über organische Stoffe und Proteine bis hin zu Zellorga-

nellenundpartikulärenStoffen.SomitsinddieEinsatzmög-

lichkeitenäußerstvielfältig.AberdieFree-Flow-Elektrophore-

se hat noch weitere Vorteile wie exzellente Ausbeuten oder

eine extrem hohe Selektivität und Reinheit bei vergleichsweise

niedrigemChemikalieneinsatz.Verfahrennachdembisheri-

gen Stand der Technik wie Chromatographie oder Extraktion

sindoftsehraufwendigbzw.erfordernzahlreicheStufenund

einen intensiven Chemikalieneinsatz, um eine vergleichbare

Produktqualitätzuerzielen.AmFraunhoferIGBwerden

Entwicklungen verfolgt, um das FFE-Verfahren industriell in

großtechnischemMaßstabanwendenzukönnen.

Wirkprinzip

Die zu separierenden Stoffe werden beim FFE-Verfahren direkt

in einen Pufferstrom gegeben, welcher laminar durch die

Prozesskammerströmt.DurchdassenkrechtzurFließrichtung

angelegte elektrische Feld erfahren die geladenen Stoffe eine

ablenkendeKraftundmigrierenentlangderFeldlinien.Die

Migrationsrichtung(zurAnodeoderKathode)und-geschwin-

digkeiteinesStoffeshängenvonderstoffspezifischen,elek-

trophoretischenMobilität(Symbolµ)ab.Dadurcherfahren

unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Ablenkung quer zu

ihrer Strömungsrichtung und können an einem Auslassgitter

inverschiedeneFraktionensepariertwerden.

Herausforderungen

Die elektrophoretische Mobilität eines Stoffes hängt von

diversen Parametern ab, die nicht alle unmittelbar bestimmt

werdenkönnen.SiekannnurempirischineinerFFE-Zelle

(Abb.1)untererheblichemAufwandbestimmtwerden

(Abb.4,links).HierfüristderBetriebderFFE-Zelle,dieAnalyse

zahlreicher Fraktionen, die Ermittlung der Migrationsstrecke

der Produktfraktion und, auf Basis dieser Strecke, die Berech-

nungderelektrophoretischenMobilitätnotwendig.Fürdie

industrielle Umsetzung ist die Kenntnis der Mobilität allerdings

grundlegend für die Prozessplanung und Dimensionierung

sowiefürdieAuslegungvonAnlagen.Darüberhinausmüssen

dafür weitere maßgebliche Prozessparameter, wie Verweilzeit

oderelektrischeFeldstärke,bestimmtundoptimiertwerden.

Entwicklungsstrategie

Unter anderem hängt die elektrophoretische Mobilität

maßgeblichvonderLadungundGrößeeinesStoffesab.

Besonders ähnlich sind sich hinsichtlich dieser Eigenschaften

dieLanthanoide.SiedienendaherdemFraunhoferIGBals

BenchmarkfürdieIdentifikationmaßgeblicherParameter

zurProzess-undAnlagenauslegung.DesWeiterenwurde

am Fraunhofer IGB eine Methode zur Berechnung der elek-

trophoretischen Mobilität auf Basis von Ex-situ-Messungen

einesSummenparameters(außerhalbderFFE-Zelle)entwickelt

(Abb.4,rechts).DieMethodeerlaubtes,diesenessenziellen

Prozessparameter mit sehr geringem Aufwand zu bestimmen

und zur Prozessplanung und Dimensionierung sowie Ausle-

gungvonAnlagenzuverwenden.

FREE-FLOW-ELEKTROPHORESE – ENTWICK-LUNGEN FÜR DIE INDUSTRIELLE UMSETZUNGLea König, Max imi l ian Kotzur, Thomas Scherer

1 2

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

Stoffgemisch

1. Fraktion

2. Fraktion

1. Stufe

2. Stufe

3. Fraktion

8 5

Dr. rer. nat. Thomas Scherer

Telefon+49711970-4091

thomas.scherer@igb.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Siegfried Egner

Telefon+49711970-3643

siegfried.egner@igb.fraunhofer.de

KontaktErhältliche FFE-Zellen aus der Analytik weisen feste Größen

auf.ImZugederLösungkundenspezifischerTrennprobleme

werden nach konventioneller Methode die Prozessparameter

an das Trennproblem angepasst und die Limitationen der FFE-

Zellebeibehalten.DiesverringertoftdieEffizienzdesTrenn-

prozessesbzw.dieProduktqualität.DerAnsatzdesFraunhofer

IGB kombiniert die Prozess- und Anlagenauslegung, um diese

Nachteilezubeseitigen.IsteinTrennproblemdurcheine

Variation der Prozessparameter, welche die Produktqualität

nichtnegativbeeinflusst,nichtlösbar,kannsodieFFE-Zelle

angepasstwerden,umdasTrennproblemzulösen.

DieseAnpassungbringtweitereVorteilemitsich.DieTrenn-

kammerwirdimmernursobreitausgelegtwiebenötigt.

Dadurch sinkt der Energieverbrauch, weil sich der elektrische

SpannungsabfallüberderFFE-Zelleverringert.Weiterhin

können dadurch der Durchsatz für die FFE-Zelle erhöht und

der Prozessmedienverbrauch sowie die Materialkosten für

dieFFE-Zellegesenktwerden.DurchdenAufbausequenziell

operierender FFE-Zellen, die nach dem 0 / 1-Prinzip ope-

rieren(Abb.2),wirdamFraunhoferIGBdieEffizienzeines

FFE-Systems in Bezug auf Chemikalieneinsatz, Energie und

Trennleistungoptimiert.EineParallelisierung(Abb.3)erhöht

den Durchsatz weiter und erlaubt eine einfache Bedienbarkeit

desFFE-Systems.

Anwendungen

Für die Free-Flow-Elektrophorese bieten sich in der Industrie

zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise in

der Edelmetallgewinnung (sowohl im Bergbau als auch im

Recycling),imDownstreamProcessing,inderDiagnostikund

inderProduktionvonMedikamenten.

1 FFE-Laboranlage.

2 Sequenzielles 0 / 1-Prinzip.

3 Parallelisierung einer FFE-Zellen-Sequenz.

4 Entwickelte Methode zur Berechnung der

elektrophoretischen Mobilität µ.

Förderung

Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts

»KritikalitätSeltenerErden«.ÜberdieLeitprojekt-Initiativewill

die Fraunhofer-Gesellschaft den Wirtschaftsstandort Deutsch-

land stärken, indem wissenschaftlich originäre Ideen schnell in

marktfähigeProdukteumgesetztwerden.

Projektpartner

Fraunhofer-Institute IWMS, IWM, IWU, IWKS, IGB, IFAM, ISI und

LBF

Weitere Informationen

www.seltene-erden.fraunhofer.de

3 4

FFE 1.1

FFE 1.2

FFE 1.n

FFE 2.1

FFE 2.2

FFE 2.n

FFE n.1

FFE n.2

FFE n.n

2. Stufe1. Stufe n. Stufe

Elektrophoretische Mobilität µ

Stand der TechnikEMPIRIE

Betrieb: FFE-Zelle

Analyse: N*100

Fraktionen

Ermittlung: Migrations-

strecke

Berechnung: µ

µempirisch µberechnet

Probe

Sonde

erheblicher Aufwand schnell verfügbar

Berechnung: µ

Messung: Summen-parameter

NeuentwicklungBERECHNUNG

8 6

KOMBICHEMPRO – FEIN- UND PLATTFORM-CHEMIKALIEN AUS HOLZGerd Unkelbach, Mor i t z Leschinsky, Kat ja Patzsch, Danie la Pufky-Heinr ich, Susanne Z ibek

Das Verbundvorhaben KomBiChemPro hat das Ziel, verschiede-

neEntwicklungsarbeitenzurstofflichenNutzunglignocellulo-

sehaltigerBiomasseineinemintegriertenBioraffineriekonzept

zusammenzuführen.WichtigsterAspektistdabeidieHerstel-

lungmarktfähigerProduktedurchrobusteProzesseundeffizi-

ente Verfahrensführung, damit eine breite Anwendbarkeit und

Konkurrenzfähigkeit gegenüber petrochemisch hergestellten

MaterialienundChemikaliengewährleistetist.

Aufbauend auf Arbeiten der beteiligten Partner werden die

Teilprozesse an einem Standort kombiniert, in ausreichender

Dimensionabgebildetundbilanziert.Nurdadurchkönnen

belastbare Aussagen über die gesamte Wertschöpfungskette

von der Rohstoffaufbereitung über die Konversion bis zur Pro-

duktabtrennungerhaltenwerden.Dieingenieurstechnischen

Daten sowie die Stoff- und Energiebilanzen lassen Rückschlüs-

se auf die Skalierbarkeit der Prozesse zu und ermöglichen es,

dasPotenzialderProzessintegrationvollauszuschöpfen.

Zellstoffe aus Organosolv-Aufschluss

Die Basis des Vorhabens stellt der physikalisch-chemische

Aufschluss von Holz mit Alkohol-Wasser-Mischungen

(Organosolv-Verfahren)dar,welcherdieGewinnungaller

drei Hauptkomponenten von Lignocellulose (Cellulose,

HemicelluloseundLignin)ermöglicht.AlsAlternativezur

Herstellung von Glucose ist die Gewinnung von Faserstoffen

und Zellstoff mit diesem Verfahren eine weitere, wirtschaftlich

attraktiveOption[1].DieUntersuchungenvonPeterund

Höglinger bergen allerdings deutliches Optimierungspoten-

zial, insbesondere in Bezug auf die Prozessbedingungen im

AufschlusssowieaufdieBleiche.EbenfallswurdenQualität

und Einsatzmöglichkeiten des Lignins oder der Hemicellulosen

außerAchtgelassen.DeswegenhatdasFraunhoferCBP

die Aufschlussparameter adaptiert, um die erforderlichen

Anforderungen an Aufschlussgrad, Ausbeute und Reinheit des

Zellstoffes,aberauchderanderenProdukte,zuerfüllen.

Chemische Umsetzung von Hemicellulose und Lignin

Nach wie vor ist die gewinnbringende Wertschöpfung aus

der Hemicellulose neben der Verwertung des Lignins eine

wichtige Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit einer

Lignocellulose-Bioraffinerie.ZwarkonntedasDeutscheBio-

masseforschungszentrum(DBFZ)zeigen,dasseineKonversion

zu Biogas mit hohen Ausbeuten möglich ist, allerdings ist eine

hochwertigerestofflicheNutzungökonomischsinnvoller.

Hydrothermale Verfahren eignen sich gut, um wässrige Syste-

me(wieindiesemFalldieHemicellulosefraktion)umzusetzen,

da Wasser bei diesen Prozessen gleichzeitig Lösungsmittel

undReaktionspartnerdarstellt[2,3,4].DasZielist,dieBe-

dingungen so auszuwählen, dass Zucker oder Furane selektiv

ausderHemicellulosefraktiongewonnenwerdenkönnen.In

nachfolgenden Aufarbeitungsschritten lassen sie sich dann als

Ausgangsmaterial für Fermentationen oder als Basischemikali-

enabtrennen.

Die am DBFZ erfolgten Untersuchungen zum Reaktionsverhal-

ten realer Hemicellulosefraktionen legen die Grundlagen für

eineSkalierungindenMiniplant-MaßstabamFraunhoferCBP.

In den letzten Monaten wurden dazu Prozessfenster für die

Zielprodukteidentifiziert.

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

Hemicellulose

Cellulose

Lignin

verholzte Biomasse (Reststoffe / Koppelprodukte)

1

87

Dipl.-Chem. (FH) Gerd Unkelbach

Telefon+49346143-9101

gerd.unkelbach@cbp.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Peter,W.;Höglinger,O.(1986)LenzingerBerichte,Heft61:

12 – 16

[2]Bouvier,J.M.;Gelus,M.;Maugendre,S.(1988)WoodLique-

faction–AnOverview.ApplEnergy30(2):85–98.

[3]Garrote,G.;Dominguez,H.;Parajo,J.C.(1999)Hydrothermal

processingoflignocellulosicmaterials.HolzalsRoh-undWerk-

stoff57:191–202

[4]Carvalheiro,F.;Duarte,L.C.;Girio,F.M.(2008)Hemicellulose

biorefineries:areviewonbiomasspretreatments.JSciIndRes

67:849–864

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung

(BMBF)unddemProjektträgerJülich(PTJ)fürdieFörderungdes

Projekts »KomBiChemPro«,Förderkennzeichen031B0083A.

Projektpartner

Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH,

Leipzig | Thünen-Institut für Holzforschung, Hamburg* | Max-

Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme,

Magdeburg* | Universität Leipzig*

*DiesePartnerbefindensichimUnterauftragdesFraunhoferCBP.

Zur Erhöhung der Wertschöpfung werden die durch den

Aufschluss erhaltenen Organosolv-Lignine – ebenfalls unter

hydrothermalen Bedingungen – durch basenkatalysierte

SpaltunginPhenolbruchstückeüberführt.DeramFraunhofer

CBP etablierte Prozess wird weiter hinsichtlich der Produktse-

lektivitätensowiederEnergie-undStoffbilanzenverbessert.

Einen Schwerpunkt bildet die Weiterentwicklung der Aufar-

beitungstechnologien, um den Prozess hinsichtlich der techni-

schenMachbarkeit,GesamteffizienzundWirtschaftlichkeitzu

optimieren.

Fermentative Herstellung von Äpfel- und Xylonsäure

Neben der hydrothermalen Umsetzung bieten sich biokata-

lytische Prozesse zur Konversion von Pentosen und Hexosen

an.FürÄpfelsäurebestehteinwachsenderMarkt,dadiese

als Geschmacksstoff oder zur Haltbarmachung von Lebens-

mitteln eingesetzt wird und Potenzial als Polymerbaustein

oderinDruckfarbenbietet.Xylonsäureistebenfallsvielseitig

einsetzbar,z.B.alsVorstufefürPolyesteroderHydrogele.

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie am IGB entwickelt die

FermentationsprozessefürbeideProdukte.InderzweitenPro-

jektphase erfolgt die Fermentation bis zum 1-m3-Maßstab in

Leuna.BereitsbeiderLaborentwicklungwurdensignifikante

Verbesserungen zur Kultivierung von Äpfelsäure sowie höhere

AusbeutenalsmitdemaktuellenStandderTechnikerzielt.

Ausblick

Neben der ökonomischen Bewertung der am Fraunhofer CBP

durchgeführten Versuche wird das DBFZ mit einer ökologi-

schenBetrachtungVor-undNachteilediesesBioraffinerie-

konzeptesherausarbeiten,umdiebestehendenDefizitezu

beseitigen.WeitereVersucheimPilotmaßstabermöglichen

zudem die Herstellung von Mustermengen für anwendungs-

technische Charakterisierungen und die Ermittlung der

Produktspezifikationen.

1 Schematisches Konzept des

Verbundvorhabens KomBiChemPro.

Hemicellulose

Cellulose

Lignin

simulationsgestützte Verfahrensentwicklung hochwertige, nachhaltige Produkte

8 8

MIKROBIELLE HERSTELLUNG VON BASIS CHEMIKALIEN UND SCALE-UP VON FERMENTATIONSPROZESSENSusanne Z ibek, B jörn Vater, Georg Geiger

Industrielle Biotechnologie – Alternative für die Chemie

Die mikrobielle Herstellung von Basischemikalien bietet neben

mildenReaktionsbedingungenundhoherSpezifitätauchden

Vorteil, dass die Produktvielfalt aufgrund der Vielzahl unter-

schiedlicherMikroorganismennahezuunerschöpflichist.So

können auch durch chemische Synthese schlecht zugängliche

Produktegewonnenwerden.Zumanderenermöglichtdiemik-

robielle Herstellung, auch Substrate auf Basis nachwachsender

Rohstoffe(NaWaRo)einzusetzen.Siebietetsoalternative

LösungenfürauffossilenRohstoffenbasierendenChemikalien.

Entwicklung vom Biokatalysator bis zum aufgereinigten

Produkt

Die Gruppe Industrielle Biotechnologie des Fraunhofer IGB

entwickelt Prozesse zur Gewinnung von Plattformchemikalien

unterVerwendungnachwachsenderRohstoffe.ImMittel-

punkt steht die Etablierung, Optimierung und Skalierung von

Biokonversionsprozessen, bei welchen biogene Rohstoffe

entweder durch Mikroorganismen (Bakterien-, Hefe- oder

Pilzkulturen)oderEnzymeinBasischemikalienumgewandelt

werden.UnserLeistungsspektrumumfasstdieAuswahl

und Optimierung der Biokatalysatoren, die Entwicklung

geeigneter Konversionsprozesse im Labormaßstab und die

ÜbertragungdieserindenTechnikums-bism³-Maßstab.In-

nerhalb der Prozessentwicklung betrachten wir alle relevanten

Parameter, etwa Temperatur, pO2, OUR, CER und RQ oder

die Zusammensetzung des Mediums und etablieren perfekt

abgestimmte Mineralsalzmedien und Fütterungsstrategien

(repeated-batch, fed-batch oder kontinuierliche Kulturfüh-

rung).AufderGrundlageeinerstatistischenBewertungaller

Prozessparameter überführen wir den optimalen Prozess zu-

nächstvomSchüttelkolbenindenFermenter(Scale-over)und

dannindenTechnikums-undPilotmaßstab(Scale-up).Auch

dieAufreinigungderProduktewirdoptimiert.Wirerforschen

und optimieren eine Vielzahl fermentativer Prozesse zur Her-

stellung von Grundchemikalien wie organische Säuren oder

Dicarbonsäuren mit großem Anwendungspotenzial, etwa als

BausteinefürPolymereoderWeichmacher.

Furandicarbonsäure

BeidenEntwickungsarbeitenzurFurandicarbonsäure(FDCA)

konnten wir durch Zugabe von Hydroxymethylfurfural aus lig-

nocellulosehaltiger Biomasse erfolgreich eine Ganzzellkatalyse

mit Pseudomonas putidaetablieren.DurchgezielteReaktions-

führunghabenwirimLaboreineAusbeutevonmehrals80

ProzentbeieinerKonzentrationbiszu20g/LFDCAerreicht.

Das anschließende Scale-up erfolgte anhand von Modellex-

perimenten mit skalierbaren Reaktoren oder Fermentern im

Labor.AnhandhierbeiausgewählterdimensionsloserKenn-

zahlen konnten wir die Prozesse in der maßstäblich größeren

Pilotanlageauslegen.

Langkettige Dicarbonsäuren

Bei langkettigen Dicarbonsäuren aus Ölen wurde der Prozess so

optimiert, dass die anschließende Aufreinigung möglichst ein-

fachist.SokonntenwirdurcheinenProzessmitexponentieller

Zufütterungsrate die Biomassenkonzentration auf cx = 21 gTS / L

und die Produktbildungsrate auf bis zu rP=0,44g/L/her-

höhen.Für1,18-Oktadec-9-endisäurekonnteeinemaximale

Produktkonzentration von cP ≅100g/Lerreichtwerden.

CHEMIE UND PROZESSINDUSTRIE

1 2 3

OO

OH

CH2OH

O O

HO

OH

OH

O

O

CH3

n

O

CH3

OR1

R2O

O

n

OH

OR

OH

O

8 9

Dr.-Ing. Susanne Zibek

Telefon+49711970-4167

susanne.zibek@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

Wir danken zum einen der Europäischen Union für die Förderung

desForschungsprojekts»BioQED–QuodEratDemonstrandum:

Large scale demonstration for the bio-based bulk chemicals BDO

and IA aiming at cost reduction and improved sustainability«,

Zuwendungsvereinbarung:613941undfürdieFörderungdes

Projekts»BioConSepT«im7.Forschungsrahmenprogramm

(FP7/2007–2013),Förderkennzeichen289194.

Des Weiteren danken wir dem Bundesministerium für Bildung

undForschung(BMBF)undderBaden-Württemberg-Stiftung

für die Förderung des Projekts »KomBiChemPro – Fein- und

Plattformchemikalien aus Holz durch kombinierte chemisch-

biotechnologischeProzesse«,Förderkennzeichen031B0083A,

und dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft

(BMEL),repräsentiertdurchdieFachagenturfürNachwachsende

Rohstoffe(FNR),fürdieFörderungdesProjekts»PolymereTen-

side:TensideausnachwachsendenRohstoffenmitoptimierten

Performance-Eigenschaften« des Clusters Industrielle Biotechno-

logiee.V.(CLIB2021),Förderkennzeichen22012608.

Äpfel- und Itaconsäure

Für die mikrobielle Produktion von Äpfelsäure und Itacon-

säure haben sich pilzliche Systeme als besonders vorteilhaft

erwiesen.EinBeispielfürdenEinsatzvonPilzensindunsere

Arbeiten zur Fermentationsentwicklung für die Produktion

vonÄpfelsäureausC5-ZuckernvonHemicellulose-Fraktionen.

Die biotechnologische Herstellung der Äpfelsäure etablieren

wir mit Aspergillus-Stämmen,welchedenStatusGRAS(engl.

GenerallyRecognizedasSafe)haben.DiesisteineZulassungs-

bezeichnung der US-amerikanischen FDA (Food and Drug

Administration)undkennzeichnetdieUnbedenklichkeiteines

StoffesalsLebensmittelzusatzstoff.SokonntenwirdiePro-

duktkonzentration durch Prozessoptimierung um den Faktor

1,5imVergleichzurLiteraturerhöhen.BeiderItaconsäure

gehtderfermentativeHerstellungsprozessaufdasJahr1932

zurück, damals noch unter Verwendung von Aspergillus itaco-

nicus.MittlerweilewirdhauptsächlichderStamm Aspergillus

terreuszurbiotechnologischenHerstellunggenutzt.Unter

Verwendung von A. terreus konnten wir 137 g / L Itaconsäure

mitGlucosealsKohlenstoffquelleerzeugen.

Biotenside

Das Fraunhofer IGB hat langjährige Expertise in der mikro-

biellenBiotensidherstellung.VerschiedeneBrandpilzeder

Gattungen Ustilagosp.undPseudozymasp.sekretieren

natürlicherweisedieBiotensideMannosylerythritollipid(MEL)

undCellobioselipid(CL),sodassdieseausdemNährmedium

extrahiertwerdenkönnen.Anwendungsstudienverschiedener

MEL- und CL-Varianten zeigten ein breites Einsatzpotenzial –

als Detergenzien, Emulgatoren und Wirkstoffe in Kosmetik,

PflanzenschutzundfürtechnischeAnwendungen.Durch

Optimierung des Herstellungsverfahrens für die Biotenside

erreichen wir gegenwärtig am IGB Produktkonzentrationen

von30g/LfürCLundüber100g/LfürMEL.

3 Herstellung verschiedener MEL- und CL-Varianten aus

Ölen von NaWaRo.

4 Fermentative Herstellung von L-Äpfelsäure.

5 Verlauf der Itaconsäureproduktion mit Aspergillus

terreus. Durch Prozessoptimierungen sind im

Schüttelkolben-Maßstab Konzentrationen von 137 g / L

möglich.

4 5

OH

O

OH

O

OH

Itac

on

säu

re in

g / L

Zeit in d

0 2 4 86

140

0

20

40

80

60

100

120

Itaconsäure

141210

1 Produktion verschiedener langkettiger Dicarbonsäuren

aus Fettsäuren oder Ölen der zweiten Generation.

2 Aspergillus terreus in der Produktionsphase bei der

Herstellung von Itaconsäure.

UMWELT UND ENERGIE

Vor dem Hintergrund der weltweiten Diskussion über Wasser-

mangel und -verschmutzung, Ressourcenverknappung und

Klimawandel kommt dem ressourcen- und umweltschonen-

denWirtschaftenwesentlicheBedeutungzu.DerÜbergang

zu einer nachhaltigen, umweltverträglichen und zuverlässigen

Versorgung mit sauberem Wasser, Lebensmitteln, Rohstoffen

und Energie ist daher – auch im Kontext globaler Klimaschutz-

ziele – eine der zentralen Herausforderungen unserer heutigen

Gesellschaft.

In nationalen und internationalen Projekten mit Partnern

aus Forschung, Industrie und Kommunen entwickelt das

Fraunhofer IGB innovative Verfahren, Reaktoren und neue

Technologien zur nachhaltigen Ver- und Entsorgung, insbe-

sondere zur Behandlung von industriellem Prozesswasser und

kommunalem Abwasser, zur Wiedernutzung anfallender Rest-

undAbfallstoffeundzurErhöhungderEnergieeffizienzdurch

NutzungvonAbwärmeundregenerativerEnergie.

Das Geschäftsfeld »Umwelt und Energie« steht damit für

fortschrittliche Entwicklungen, mit denen Emissionen in die

Umwelt vermieden, Rohstoffe zurückgewonnen und regene-

rativ erzeugte Energie erschlossen werden – um Wirtschaft-

lichkeitmitNachhaltigkeitzuverbinden.Lösungsansätzesind

in einigen Fällen auch stark mit Themen des Geschäftsfelds

»ChemieundProzessindustrie«verknüpft.

Vernetzung und Kooperation

Um historisch gewachsene Infrastrukturen durch Systemlö-

sungen mit neuesten Technologien zu ersetzen, entwickeln

wir integrierte Stoffstrom- und Energiekonzepte für Industrie,

KommunenundRegionen.Deshalbengagierenwirunsinden

Fraunhofer-Allianzen Energie, Bau und SysWasser sowie der

Fraunhofer-InitiativeMorgenstadt.DarüberhinausistdasIGB

über die nationale Technologieplattform SusChem Deutsch-

land, German Water Partnership und auch international,

insbesondereinnerhalbEuropas,hervorragendvernetzt.

91

Wasser- und Abwassertechnik

WasseristunserwichtigstesLebensmittel.FüreinegesicherteWasserversorgungundeffiziente

Wasserreinigung entwickeln wir innovative Lösungen zur Wassergewinnung sowie Wasserma-

nagement-Konzepte, die an die jeweiligen geographischen, demographischen und regionalen

Rahmenbedingungenangepasstsind.UmindustrielleProzesswässermöglichstmehrfachzu

verwenden, arbeiten wir an Technologien, mit denen Verunreinigungen selektiv entfernt und

werthaltigeInhaltsstoffezurückgewonnenwerdenkönnen.Aerobeundanaerobebiologische

Verfahren entwickeln, optimieren und kombinieren wir mit Membran- und chemisch-physikali-

schenVerfahren.

Eine Reihe neuartiger Technologien, darunter Membranadsorber und elektrooxidative Verfah-

ren,setzenwirein,umdieEmissionpersistenterStoffeindieUmweltzuverhindern.Fürdie

Reinigung von Wasser mit biologisch schwer abbaubaren organischen Bestandteilen entstehen

beispielsweisenurdurchdieBehandlungmitStrom(Elektrolyse)oderenergiereicherUV-Strah-

lung(Photolyse)reaktiveHydroxylradikale,welcheorganischeMolekülezuabbaubarenVerbin-

dungenbzw.vollständigzuKohlenstoffdioxidoxidieren–ohneZugabevonChemikalien.

Wasser-Überwachung

TrinkwasserunterliegtvielfältigenGefährdungen.SokönnenbeispielsweisePestizideausder

Landwirtschaft oder Chemikalien aus Industrieunfällen über das Grundwasser in kommunale

Versorgungssystemegelangen.EinewachsendeGefahrstelltauchderEintragtoxischerVer-

bindungendurchkriminelleoderterroristischeAnschlägedar.Umverhindernzukönnen,dass

kontaminiertes Trinkwasser die Verbraucher erreicht, muss es daher bereits im Verteilungssys-

temüberwachtwerden.DasFraunhoferIGBentwickeltBiosensorenaufderBasislebender

Zellen, die sich als Frühwarnsysteme für die kommunale Wasserversorgung oder dezentrale

Versorgungssystemeeignen.BeiderÜbertragungderzellulärenReaktionineinphysikalisch

messbaresSignalarbeitenwirmitanderenFraunhofer-Institutenzusammen.

Aufbereitung von Roh- und Reststoffen

Unsere Rohstoffe sind endlich und werden vielfach weder nachhaltig noch sozial verträglich in

politischinstabilenRegionenabgebaut.UmeinewachsendeWeltbevölkerungmitRohstoffen

versorgen zu können und die Abhängigkeit vom Import der Rohstoffe zu mindern, erarbeiten

wir Verfahren, um Sekundärrohstoffe aus Produktions- und Abfallströmen für eine Wiederver-

wendung zurückzugewinnen – in einer den Primärrohstoffen gleichwertigen Qualität und mit

vergleichbaremProzessaufwand.

92

Neue Techniken erlauben es uns beispielsweise, Gemische anorganischer Rohstoffe (Metalle,

SelteneErden)selektivaufmolekularerbzw.atomarerEbeneaufzutrennen.MitneuenVerfah-

ren lassen sich wichtige Nährstoffe wie Phosphor und Ammonium aus Abwasser, Klärschlamm,

GärrestenoderGüllealsDüngemittelzurückgewinnen.Diezurückbleibendennährstoffarmen

organischenFraktionenarbeitenwirzuhumusbildendenBodenverbesserernauf.

Energiewandlung und -speicherung

Um neue regenerative Energiequellen zu erschließen, erarbeiten wir innovative Membrantech-

nologien,etwafüreffizienteEthanol-BrennstoffzellenoderwirtschaftlicheOsmosekraftwerke.

FürdasGelingenderEnergiewendemussÜberschussstromgespeichertwerdenkönnen.Hierzu

entwickeln wir katalytische Verfahren, um elektrische Energie – vor allem durch Bindung und

Reduktion von CO2 – in chemische Energiespeicher, etwa längerkettige Kohlenwasserstoffe,

umzuwandeln.

Vielfach noch ungenutzt bleibt Abwärme, die bei der Stromerzeugung und vielen Industriepro-

zessenanfällt.DamitüberschüssigeWärmefüreinenzeitlichundräumlichentkoppeltenBedarf

zugänglich wird, arbeiten wir an Systemen zur thermo-chemischen Langzeitspeicherung von

WärmemitSorptionswärmespeichern.

Bioenergie

DieeffizienteErzeugungvonBiogasausKlärschlammmitAnaerobtechnologienisteinzentra-

lesThemaamIGB:MehrereKläranlagenunterschiedlicherGrößehabenwirbereitsaufunser

VerfahrenderHochlastfaulungumgestelltunddamitzuenergieautarkenBetriebengemacht.

Unser Know-how zur Vergärung organischer Stoffe setzen wir ebenso für die Nutzung von

ReststoffenderLebensmittelindustrieundderLandwirtschaftein.ImZugederDezentralisie-

rungderEnergiewirtschaftwerdendabeizunehmendauchgeringeMassenströmeinteressant.

Biogas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid, lässt sich aber nicht nur zur Erzeugung

vonStromundWärmeinBlockheizkraftwerkennutzen.FürdieAbtrennungvonhochreinem

Methan aus Biogas als Grund- oder Kraftstoff untersuchen wir daher Absorptions- und Mem-

branverfahren, die CO2mithoherKapazitätbinden.

9 4

Bewertung der Nachhaltigkeit

Rohstoff-undEnergieeffizienzsindmeistwichtigeZielebei

der Entwicklung und Anwendung neuer Produkte und Tech-

nologien.DerBeitragvonUnternehmenzueinernachhaltigen

EntwicklungumfasstabernochweitereAspekte.Sospielen

beispielsweise die Arbeitsbedingungen in der Produktion und

dieAuswirkungeneinesStandortsaufseinUmfeldeineRolle.

Die Bewertung eines Produkts in frühen Entwicklungsphasen

ist allerdings aufwendig, zumal die dafür nötigen Daten oft

nochnichtvorliegen.

Stakeholder-Interaktionsanalyse identifiziert Hot Spots

Um in diesem Stadium sogenannte Hot Spots, also dringliche

Handlungsfelder,identifizierenundbewertenzukönnen,

haben das Fraunhofer UMSICHT und das Fraunhofer IGB ein

Instrument entwickelt – die Stakeholder-Interaktionsanalyse

(SHIA).ZielderAnwendungderSHIAistes,durchBerück-

sichtigung der Interessen relevanter Anspruchsgruppen

gesellschaftlich akzeptierte Produkte und Prozesse auf den

Weg zu bringen, die einen höheren Beitrag zur nachhaltigen

Entwicklungleisten.PerspektivenwechselundDialogsollen

dem Unternehmen einen transparenten Umgang mit Chancen

undRisikenermöglichen.

Für die Entwicklung der SHIA haben die Fraunhofer-Institute

IGB und UMSICHT ihre Erfahrung mit Methoden und Stan-

dards der Nachhaltigkeitsbewertung und -berichterstattung

eingesetzt.ÜberdreiJahrewurdenbestehendeInstrumente

verglichen, neue dialogorientierte, produktionsbezogene An-

sätzeerarbeitetundgetestet.Diesewurdenschließlichinein

Tool übersetzt, das sich leicht auf verschiedene Branchen und

Anwendungsbereicheübertragenlässt.

Umsetzung und Bewertungstools

Die SHIA richtet sich an produzierende Unternehmen, auch an

kleine und mittelständische, und fokussiert Veränderungspro-

zesseinderProduktionoderbeiderStandortentwicklung.

Die Fraunhofer-Experten beraten und unterstützen Unterneh-

menbeifolgendenSchritten:

(a) SelbsteinschätzungrelevanterWirkfelderim

Produktentwicklungsprozess

(b) ErmittlungbetroffenerStakeholder

(c) ErmittlungderStakeholder-Ansprüche

(d) EinschätzungdesUmsetzungsstatusimUnternehmen

Wirkfelder betreffen die wirtschaftlichen, ökologischen und

sozialen Auswirkungen der Produktion am Standort, ebenso

Aspekte des Produktlebenszyklus wie die Lieferkette oder

Entsorgungs-undRecyclingwege.

Die gesamte Dienstleistung umfasst Phasen des Dialogs, der

Recherche und Analyse sowie der Beratung und bedient sich

einesBaukastensmitverschiedenenWerkzeugen:

� Kernstück ist die systematische Analyse der Wirkfelder,

Stakeholder und deren Ansprüche anhand eines Interview-

LeitfadensundeinerBewertungsmatrix.

� EinKritikalitätstoolzurAbschätzungdesEinflusseseiner

StakeholdergruppeaufdengeplantenProduktionsprozess:

Anhand der Kriterien Durchsetzungs- und Organisationsfä-

higkeitwerdendieStakeholderbewertet.

� Eine Wissensdatenbank für Stakeholderansprüche und

Good-Practice-BeispieleinFormeinesWikis:TypischeSta-

keholder-Ansprüche dienen der Einordnung von Interview-

ergebnissen.Über300Beispieleausproduzierenden

INTERESSENAUSGLEICH IM UNTERNEHMEN MIT DER STAKEHOLDER-INTERAKTIONSANALYSEBirgi t Hal ler, Jan Iden, Ursula Schl ießmann

UMWELT UND ENERGIE

1

95

Dr.-Ing. Ursula Schließmann

Telefon+49711970-4222

ursula.schließmann@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft für die Förderung des

LeitprojektsE³-Produktion.

Projektpartner

Fraunhofer-Institute FIT, IBP, ICT, IFF, ILT, IML, IPK, IPA, IPT,

UMSICHT und IWU

Weitere Informationen

www.stakeholder-interaktion.de

www.e3-produktion.de

Unternehmen unterstützen die Ableitung von

Handlungsempfehlungen.

� Ein Dialogtool zur Planung der Kommunikation mit unter-

schiedlichenStakeholdergruppen.

Der Dialog mit Unternehmensvertretern und nach Bedarf mit

ausgewählten Stakeholdern sowie die Nutzung von Experten-

wissen und Rechercheergebnissen sind die Grundlagen für die

systematische Darstellung von Hot Spots im Unternehmen,

möglichenInteressenkonfliktenundfürdieRealisierbarkeit

von Verbesserungsmaßnahmen sowie Handlungsempfeh-

lungenaufderBasisvonGood-Practice-Beispielen.Darauf

aufbauend wird ein Kommunikationskonzept zur vertieften

EinbindungunterschiedlicherStakeholderentwickelt.Das

Konzept dient auch als Grundlage für die Darstellung der

SHIA-ErgebnisseimUnternehmenodergegenüberKunden.

Leitprojekt E³-Produktion

Die SHIA wurde im Leitprojekt E³-Produktion entwickelt, an

deminsgesamt12Fraunhofer-Institutebeteiligtsind.Durch

die enge Vernetzung untereinander dient sie als Schnittstelle

zudendorterarbeitetentechnologischenEntwicklungen.

DasE³-KonzeptsetztdieEffizienzderTechnologie,dieEmis-

sionsneutralität der Fabrik und die Einbindung des Menschen

ineinenneuenKontext.Lösungenfürproduktionstechnische

Herausforderungen entstehen ganz gezielt aus der konse-

quentenNutzungneuentstehenderSynergienvoneffizienten

Technologien und Anlagen, neuem Logistik- und Fabrikdenken

und einer bewussten, zukunftsorientierten Einbindung des

MenschenindieProduktionswelt.

1 Im Gespräch mit Firmenvertretern werden

Wirkfelder und Stakeholder ermittelt.

2 Stakeholder-Gefüge eines produzierenden

Unternehmens.

2

21

Ausgangssituation

Die metallbearbeitende und -verarbeitende Industrie hat in

Deutschland und Europa eine große volkswirtschaftliche Be-

deutung.InnerhalbdiesesIndustriesektorsnimmtdieGalvanik

eineSchlüsselrolle[1]ein.DiesenStatuszuhalten,gehtmit

einemsignifikantenRessourcenverbrauchbeigleichzeitigerPro-

duktiongroßerMengenanAbwasserundAbfalleinher.Alleine

inEuropaverbrauchtdieoberflächenbehandelndeIndustrie

mehr als 100 Millionen Kubikmeter Frischwasser und produ-

ziertdabeimehrals300000TonnentoxischerAbfälle[2].

Daraus ergeben sich für die Galvanik klare ökonomische und

ökologischeZiele[1]:

� Einsparung von Chemikalien

� Abwasserarme Betriebsweise

� Vollständige Rückführung von Wertstoffen in den

Produktionsprozess

� Minimierung des Energieverbrauchs

� ReduzierungderEntsorgungskostenbzw.Vermeidungvon

AbfällenzurErhöhungderProduktionseffizienz

Konzept ECOWAMA

Das von der EU geförderte Projekt ECOWAMA greift diese

Zieleaufundverbindeteineenergie-undkosteneffizienteAb-

wasseraufbereitung mit der Rückgewinnung von Wertstoffen

(Metall)sowiederRückführungdesaufbereitetenProzess-

wassersindenlaufendenGalvanik-Betrieb.Dieser»Closed-

Loop«-Ansatz, der über den an vielen Galvanik-Standorten

praktizierten Stand der Technik hinausgeht, unterstützt damit

nebenderRessourceneffizienzauchdieAnstrengungender

Europäischen Union hin zur Kreislaufwirtschaft (Circular Eco-

nomy,Abb.1).

ECOWAMA-Pilotanlage

Den Kern der im Projekt realisierten Pilotanlage bilden die auf

elektrochemischen und -physikalischen Prinzipien basierenden

Prozesse Elektrooxidation und Elektrokoagulation sowie

einneuartigesthermischesMulti-Stage-Humidification-

Dehumidification-Verfahren.DiesewerdenzurOxidationund

Fällung der entsorgungsrelevanten Komponenten sowie zur

Entsalzungeingesetzt(Abb.2).ErgänztwerdendiesePro-

zessschritte durch eine elektrolytische Nickelrückgewinnung

(Electrowinning)undeineVorreinigungdesProzesswassers

mittels gepulster elektrischer Felder zur Entfernung von Fetten

undÖlen.ErstmaligwurdeimRahmenvonECOWAMAge-

zeigt, dass Wasserstoff, der während der elektrochemischen

Prozesswasserbehandlung als Nebenprodukt entsteht, über

eine entsprechende Gasreinigungsstufe einer Brennstoffzelle

zugeführt und in elektrische Energie umgewandelt werden

kann.

Demonstration

Demonstriert wurde die ECOWAMA-Anlage in einem Betrieb

fürKunststoff-Galvanik.Dortwirddiestromlose,chemische

VernickelungvonKunststoffteilenangewandt.DieseNickel-

Phosphor-Schichten zeichnen sich durch hohe Korrosions-

beständigkeit und sehr gute Abnutzungs- und Härteeigen-

schaften aus und können vor allem auch für geometrisch sehr

anspruchsvolleTeileherangezogenwerden.Hauptanwendung

findendieSchichtenimAutomobil-,Telekommunikations-und

KunststoffsektorsowieinderchemischenIndustrie[1].

Dabei stellt jedoch die Aufbereitung der erschöpften Che-

misch-Nickel-Bäder und deren Spülwässer wegen der Bildung

unerwünschter Nebenprodukte eine große Herausforderung

9 6

ELEKTROCHEMISCHE AUFBEREITUNG VON PROZESSWÄSSERN IN DER GALVANIKMaximi l ian Kotzur

UMWELT UND ENERGIE

Vor-behandlung

Chemisch Nickel

Wasserstoff-verwertung

Electro- winning

Nickel

Elektrische Energie

Ni-freier Schlamm

Reines Wasser

Elektro-oxidation

Elektro-koagulation Entsalzung

Circular Economy

Energie-rückgewinnung

Abwasser-behandlung

Metall-rück-

gewin-nung

Wasser-rück-

führung

97

Dipl.-Ing. Maximilian Kotzur

Telefon+49711970-4097

maximilian.kotzur@igb.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Thomas Scherer

Telefon+49711970-4091

thomas.scherer@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Kanani,Nasser(2009)Galvanotechnik–Grundlagen,Verfah-

renundPraxiseinerSchlüsseltechnologie:16–18

[2]EuropeanCommission(2006)IntegratedPollutionPrevention

and Control – Reference Document on Best Available Techniques

fortheSurfaceTreatmentofMetalsandPlastics:164ff

Förderung

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des

Forschungsprojekts»ECOWAMA«im7.Forschungsrahmenpro-

gramm(FP7/2007–2013),Förderkennzeichen308432.

Projektpartner und weitere Informationen

www.ecowama.eu

dar.GrundistdasdabeiverwendeteReduktionsmittel,inder

RegelNatriumhypophosphit.Dieseskannaufgrundseiner

guten Löslichkeit nicht direkt gefällt werden und stellt für eine

nachgeschaltete kommunale Kläranlage ein großes Problem

dar.Galvanik-BetriebemüssenausdiesemGrundgroße

Summen für die Entsorgung durch externe Firmen aufbringen,

welchedasAbwasserdannzumeistverbrennen.Umdaszu

umgehen, wird in der ECOWAMA-Anlage das im Chemisch-

Nickel-Bad enthaltene Hypophosphit in der Elektrooxidations-

EinheitgezieltineinefällbarePhosphor-Verbindungoxidiert.

Dabei kommen Bor-dotierte Diamantelektroden zum Einsatz,

die in allen Versuchen die besten Oxidationseigenschaften

gezeigthaben.

Ergebnisse

In zahlreichen Kurz- und Langzeitversuchen mit erschöpften

Chemisch-Nickel-Bädern konnte der vollständige Abbau des

Hypophosphits und der weitgehende Abbau des Phosphits

bestätigtwerden.Dasdabeijeweilsentstehendeleicht

fällbare Phosphat konnte in einem weiteren Schritt durch

Elektrokoagulationzumehrals98Prozentabgetrenntwerden

(Abb.3).BeiderAufbereitungderAb-undProzesswässeraus

der elektrolytischen Vernickelung konnte eine elektrische Leit-

fähigkeit von 12 µS / cm erreicht werden, was eine vollständige

RückführunginentsprechendeProzessbädererlaubt.Ausdem

Konzentrat konnte durch galvanische Abscheidung metalli-

schesNickelmiteinerReinheitvonüber99,9Prozenterzielt

werden, wodurch es wieder zur Beschichtung verwendet

werdenkann.

Ausblick – weitere Anwendung

Durch das robuste und modulare Design der ECOWAMA-An-

lage ist es möglich, einzelne Prozesseinheiten auch für andere

AnwendungeninderProzesswasseraufbereitungeinzusetzen.

DabeisindweitereAb-undProzesswässerinderoberflä-

chenbehandelnden Industrie der primäre Markt, gefolgt von

speziellen Anwendungen in der chemischen Industrie, die eine

starke,chemikalienfreieOxidationerfordern.

1 Prinzip der Kreislaufwirtschaft (Circular

Economy) im Projekt ECOWAMA.

2 ECOWAMA-Prozessschema.

3 ECOWAMA-Module: Elektrooxidation

(vorne), Elektrokoagulation (hinten).

4 Beschichtetes Werkstück.

43

9 8

MoGeSoWa – ENERGIEEFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH SORPTIVE WÄRMESPEICHERUNG Simone Mack, S iegfr ied Egner

Energieeffizienz erhöhen

Um die globalen Klimaschutzziele zu erreichen, steht die

Erhöhung des Nutzungsgrades fossiler und regenerativer

PrimärenergieimFokus.Wärmespeicherspielenhierbeieine

elementare Rolle, um Überschusswärme zu speichern und so

den zeitlichen Ausgleich von Wärmeangebot und -bedarf zu

ermöglichen,z.B.inindustriellenProzessenoderderGebäu-

detechnik.2010wurdenmehrals57ProzentdesBruttoener-

gieverbrauchs,bzw.38ProzentdesPrimärenergiebedarfsin

Deutschland(5408Petajoule~1500Terawattstunden)fürdie

ErzeugungvonWärmeundKälteeingesetzt[1,2].

Nutzung von Abwärme

Andererseits bleiben in Energiewirtschaft, Gewerbe und

IndustriederzeitnochgroßeMengenAbwärmeungenutzt.

Schätzungen zufolge liegt das Abwärmenutzungspotenzial

aus Industriebetrieben in Deutschland lediglich bei 132 bis

282TerawattstundenproJahr(475–1015Petajoule)[1,2].

Eine vielversprechende Lösung stellen sorptive Wärmespeicher

dar.DiesebietendeutlicheVorteilehinsichtlichSpeicherdich-

ten, minimierten Wärmeverlusten und möglichen Tempera-

turniveaus.ImVergleichzuderzeitgängigenWarmwasser-

speichern sind drei- bis sechsfach höhere Speicherdichten von

biszu240WattstundenjeKilogrammSpeichermaterialund

somitwesentlichkompaktereSystememöglich.Zudemsind

dieArbeitstemperaturenzurBe-(110–300°C)undEntladung

(>100°C)flexibler.DadieEnergienichtalsfühlbareWärme

gespeichert wird, entstehen keine thermischen Verluste über

dieSpeicherdauer.DiesermöglichtsowohlKurz-(Tagebis

Wochen)alsauchLangzeitspeicherung(mehrereMonate).Um

die sorptive Wärmespeicherung in eine industrietaugliche An-

wendung zu überführen, ist das Ziel des Projekts MoGeSoWa

dieEntwicklungeinesleistungsfähigen,kosteneffizienten

undmodularaufgebautenWärmespeichers.Dazusollder

wirtschaftliche Anwendungsbereich der Technologie durch

die systematische Entwicklung von neuartigen Komposit-

Adsorbentien auf den Temperaturbereich von deutlich unter

110°Cerweitertwerden.

Vorgehensweise

Bei der sorptiven Wärmespeicherung wird Energie in Form

eineschemisch-physikalischenPotenzialsgespeichert.Ineiner

daran anschließenden reversiblen Wechselwirkung zwischen

einem porösen Feststoff und einem Fluid, auch bezeichnet als

Adsorptionsvorgang,wirdWärmefreigesetzt.Diesermöglicht

deren zeitlich wie auch örtlich verschobene bedarfsgerechte

Nutzung.UmdieProjektzielezuerreichen,wurdeeininteg-

rierter Ansatz aus Material-, Komponenten- und Prozessent-

wicklungsowiefertigungsoptimierterKonstruktionverfolgt.In

der ersten Projektphase wurden mehrere innovative Ansätze

bezüglich der einzelnen Entwicklungsfelder im Labor- und

Technikumsmaßstabentwickeltunderprobt.DieErkenntnisse

wurden in der zweiten Projektphase in einer Pilotanlage zu-

sammengeführtundunterpraxisnahenBedingungenerprobt.

Testbetrieb in Mehrfamilienhaus

In der anschließenden Demonstrationsphase testete das IGB

den entwickelten modularen Wärmespeicher für mehrere

MonateunterrealenBedingungen.DersorptiveWärmespei-

cher wurde in einem Mehrfamilienhaus mit über 70 Wohn-

einheitenzurSteigerungderEnergieeffizienzvoninstallierten

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagendemonstriert.Hierzuwurde

Überschusswärme aus einem Mini-BHKW mit einer Leistung

von 20 kWelektrischund40kWthermisch gespeichert, um die

1

UMWELT UND ENERGIE

9 9

Dr.-Ing. Simone Mack

Telefon+49711970-3539

simone.mack@igb.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. Siegfried Egner

Telefon+49711970-3643

siegfried.egner@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1] EEFA; Bestimmung des »Bruttoendenergieverbrauchs« nach

denVorschriftenderEU-RL/2009/28/EGaufBasisderDatender

AG-Energiebilianzen(KurzstudieimAuftragdesBMWi);Münster,

Berlin,Nov.2011

[2]AG-Energiebilanzene.V.(AGEB)

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

(BMWi)fürdieFörderungdesProjekts»MoGeSoWa–Entwick-

lung eines modularen, geschlossenen, sorptiven Wärmespeichers

zurEnergieeffizienzsteigerungvonKraft-Wärme-Kopplungsanla-

gen«,Förderkennzeichen03ESP259E.

Projektpartner

ZeoSys GmbH, Berlin | Fraunhofer-Institute IVI, IKTS und IWU |

B&OGebäudetechnikGmbH&Co.KG,Berlin | KKIGmbH,

Osterburken | Pneumatik Berlin GmbH, Berlin

Weitere Informationen

http://forschung-energiespeicher.info/projektschau/gesamtliste/

projekt-einzelansicht//Sorptiver_Waermespeicher_fuer_die_Industrie/

http://www.zeosys.de/index.php?page=projekte/mogesowa

Wärmeenergie bedarfsgerecht für die Gebäudeheizung zur

Verfügung zu stellen und somit den Primärenergieverbrauch

zusenken.DurchdieentwickeltenKomposit-Adsorbentien

konntedieLadetemperaturvon>120°Cauf80°Cgesenkt

werden.ZudemermöglichtdieoptimierteAuslegungdes

GesamtprozesseseinedeutlicheSteigerungderspezifischen

Leistungvon120W/kgauf269W/kg.

Nutzung des Kühleffekts

Ein weiterer Vorteil des entwickelten Systems ist die zusätz-

licheNutzungdesKühleffektes.Wenndashygroskopische

Zeolith Wasserdampf in seinen Poren bindet (und hier Wärme

freigesetztwird),entstehtaufderSeitedesWasserbehälters,

dem der Wasserdampf entzogen wird, Verdampfungskälte,

diefüreineKühlunggenutztwerdenkann.

Ausblick

Neben der gebäudetechnischen Anwendung für Warmwasser-

bereitung, Heiz- und Kühlzwecke ist das entwickelte System

durchdiemodulareBauweiseflexibelanweitereAnwendun-

gen, wie beispielsweise industrielle Nutzungsmöglichkeiten

adaptierbar.FürpotenzielleEndanwenderermöglichtdieneue

Wärmespeichertechnologie wirtschaftliche und prozesstech-

nischeVorteiledurcheineSteigerungderEnergieeffizienzund

dieEinsparungvonEnergiekosten.

2

1 Zeolithschüttung im

Versuchsreaktor.

2 Modularer Testspeicher.

10 0

EINSATZ VON MEMBRANEN ZUR AUFAR-BEITUNG VON BIOBUTANOL MITTELS OSMOSEChr is topher Hänel, Thomas Schies te l

Bedarf: energieoptimierte Aufarbeitung

Langfristig wird es unumgänglich sein, fossile Kraftstoffe

durcherneuerbareEnergieträgerzuersetzten.DerDurch-

bruch der Biokraftstoffe ist neben den ökonomischen

Faktoren von den CO2-undEnergiebilanzenabhängig.Diese

müssen für fermentativ hergestellte Kraftstoffe der zweiten

Generation wie Butanol noch deutlich verbessert werden,

damitsiewettbewerbsfähigundumweltverträglichsind[1].

Das Downstream Processing ist dabei ein energie- und damit

kostenintensiverSchritt.

Durch den kombinierten Einsatz eines optimierten Gasstrip-

pings und eines osmosegetriebenen Membranverfahrens soll

ein Prozess entwickelt werden, der eine Entwässerung des

Produktstromes mit deutlich verringertem Energieaufwand

erlaubt.FürdieAufarbeitungvonEthanolwurdederEinsatz

derVorwärtsosmosebereitsbeschrieben[2].FürButanolsind

bisher keine Arbeiten bekannt, wobei in diesem Fall nur eine

Aufkonzentrierung auf 7,3 Gewichtsprozent notwendig wäre,

dadanneinePhasenseparationauftritt.

Neue Vorwärtsosmose-Membranen

In dem Verbundprojekt »Innovative Verfahrenskombination

zum Downstream Processing von Biobutanol« war es die

Aufgabe des Fraunhofer IGB, geeignete Membranen und ein

Membranverfahren für die Aufkonzentrierung von Biobutanol

zuentwickeln.Hierzuwurdenverschiedenekommerzielle

Umkehrosmose-Membranen und eigene Membranen für die

Vorwärtsosmose(ForwardOsmosis,FO),sowohlaufCellulose-

acetat-Basis(CA)alsauchThin-Film-Composite-Membranen

(TFC),getestet[3–5].DieMembranenwurdenhinsichtlichih-

rer Wasserpermeation sowie des Butanol- und Salz-Rückhalts

untersucht.DieFeed-LösungwardabeieinewässrigeButanol-

lösungmit5,7Gewichtsprozent.AlsZiehlösungwurdeeine

wässrige NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 300 g / L

NaCleingesetzt.

Beste Trennleistung

Die CA-Membran wurde in ein Gewebe gerakelt, ist 60 µm

dick und hat eine ausgeprägte asymmetrische Struktur mit

einersehrdünnenTrennschicht(ca.100nm).DerTrägerder

TFC-Membranisteine110µmdickeMikrofiltrationsmembran

miteinerPorengrößevon100nm(Abb.1).

Bei den CA-Membranen kann die Trennleistung über die Tem-

peraturdesWärmebadeskontrolliertwerden.Jehöherdie

Temperatur,destokleinerderWasserflussunddestogrößer

derButanol-Rückhalt.Bei90°CzeigendieCA-Membranen

den gleichen Butanol-Rückhalt wie kommerzielle Umkehros-

mose-Membranen,wobeiderWasserflussmit1,23L/(hm2)

um75Prozentgrößerist(Abb.2).

Bei den TFC-Membranen kann die Trennleistung über die Re-

aktionszeitderGrenzflächenpolymerisationgesteuertwerden.

Sowerdenbei480SekundenEinwirkzeitMembranenmit

einemWasserflussvon4,35L/(hm2)undeinemButanol-

Rückhaltvon97Prozenterhalten.EineweitereGröße,die

zum Vergleich der Membranen herangezogen wurde, war das

VerhältnisvonWasser-zuButanolfluss.Beidenkommerziellen

Membranen lag dieses im Bereich von 20, bei den besten CA-

Membranenwurde40undbeidenbestenTFC-Membranen

60gemessen(Abb.2).

1

UMWELT UND ENERGIE

1 μm

101

Bu

tan

olr

ück

hal

t in

%

Wasserpermeation in L / (h m2)

0 21 3 4 5 76

100

93

94

95

97

96

98

99

RO-1 RO-2 IGB-CA IGB-TFC

CA-Membranen (von rechts nach links: 50-70-90 °C) TFC-Membranen (von rechts nach links: 30-120-480 Sekunden)

Christopher Hänel

Telefon+49711970-4125

christopher.haenel@igb.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Thomas Schiestel

Telefon+49711970-4164

thomas.schiestel@igb.fraunhofer.de

Kontakt

Literatur

[1]Qureshi,N.etal.(2000)RenewableEnergy22:557–564

[2]Zhang,X.etal.(2013)ChemicalEngineeringJournal232:

397–404

[3]Kunst,B.etal.(1970).JournalofAppliedPolymerScience

14(10):2559–2568

[4]Touati,K.etal.(2015)Desalination365:182–195

[5]Jin,H.etal.(2015)RSCAdv.5:79774–79782

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Ernährung und Land-

wirtschaft(BMEL)fürdieFörderungdesProjekts»Innovative

Verfahrenskombination zum Downstream Processing von Bio-

butanol«,Förderkennzeichen22032014.

Projektpartner

Institut für Umweltverfahrenstechnik, Universität Bremen

Die Membranen wurden anschließend für 500 Stunden in ei-

nerABE-Lösung(26g/LAceton,80g/LButanol,22g/LEtha-

nol)ausgelagert.DieMembranenwarenprinzipiellstabilin

dieserLösung.AllerdingsnahmderWasserflussüberdieZeit

kontinuierlich um 30 Prozent zu und der Butanol-Durchgang

wurdeummaximal55Prozentgrößer.

Hervorragender Wasserfluss, schnelle Phasentrennung

AnschließendwurdendieProzessparameteroptimiert.Abhän-

gig von der Überströmungsgeschwindigkeit wurden für TFC-

Membranenz.B.Flüssevon12L/(hm2)bestimmt,wobeidas

Wasser/Butanol-Verhältnisbei30lag.Diebestenkommerzi-

ellenUmkehrosmose-MembranenzeigteneinenWasserfluss

von1,8L/(hm2)miteinemWasser/Butanol-Verhältnisvon22.

Mit diesen Ergebnissen wurde jeweils die Zeit bis zum Auftre-

tenderPhasentrennungabgeschätzt.Fürdiebestekommer-

zielleMembranergabsicheineZeitvon42Stunden,während

für die beste TFC-Membran eine Zeit von vier Stunden

errechnetwurde.ExperimentellkonnteübereinenZeitraum

von bis zu fünf Tagen mit den kommerziellen Membranen

keinePhasentrennungbeobachtetwerden.Beidenbesten

TFC-Membranen war dagegen bereits nach sechs Stunden

einedeutlichePhasentrennungzuerkennen.

Ausblick

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass es mit der

Vorwärtsosmose technisch möglich ist, Butanol-Lösungen

soweitaufzukonzentrieren,dasseinePhasentrennungauftritt.

Die Membranherstellung wird nun auf eine größere Anlage

übertragen(Abb.3).DieMachbarkeitdesGesamtprozesses

solldannimPilotmaßstabgezeigtwerden.

1 TFC-Membran unter dem Elektronen mikroskop.

2 Vorwärtsosmose-Versuche in einer Rührzelle.

3 Flachmembranziehanlage.

2 3

111098

48 neu erteilte Schutzrechte

15 neu angemeldete Schutzrechte

124 Vorträge

120 Hochschularbeiten

WEITERE DATEN UND FAKTEN 2016

331 Publikationen

126 Artikel in Fachzeitschriften

4 Buchbeiträge

77 Poster

7 Dissertationen

11 Studienarbeiten

388 insgesamt angemeldete Patente

14 neue Erfindungsmeldungen

51 Masterarbeiten 36 Bachelorarbeiten 13 Praktikumsberichte

2 Diplomarbeiten

15 neu angemeldete Schutzrechte

82 Strategische Kooperationen

494 Erwähnungen in Presse, Medien, TV und Hörfunk

122 Lehrtätigkeiten

124 Vorträge

77 Poster

166 Aktivitäten in Fachausschüssen und Gremien

1288 Follower auf Twitter

388 insgesamt angemeldete Patente

14 neue Erfindungsmeldungen

37 Presseinformationen und Nachrichten

36 Bachelorarbeiten

Detaillierte Informationen

www.igb.fraunhofer.de/daten

2 Diplomarbeiten

1648 Follower auf LinkedIn

26 Messen und Veranstaltungen

50 Vorlesungen

34 Seminare

4 Exkursionen 34 Praktika, Übungen, Projektstudien

INFORMATIONSSERVICE

10 4

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Baden-Württemberg:Connectede.V.:Seite29

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Doering,Sven:Seite78

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