Industrie & Technik

<h2>Dieseltreibstoff aus Biomasse</h2><p>Chinesische Wissenschaftler haben eine Reaktion gefunden, die ein Schritt in der Umsetzung von Biomasse zu Dieselkraftstoff ist. Die Eintopfreaktion setzt kurzkettige Alkanole zu langkettigen Ketonen und Alkoholen (C8 – C19) um. Die Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten einen Palladiumkatalysator auf einer stickstoffdotierten Kohlenstoffoberfläche. Sie setzten damit ein Isopropanol-Butanol-Ethanol-Gemisch bei einer Selektivität von mehr als 90 Prozent in Wasser um.</p><h2>Atomarer Katalysator</h2><p>Wissenschaftler am Dalian Institute of Chemical Physics haben einen effizienten heterogenen Katalysator synthetisiert. Seine Wechselzahl ähnelt der des homogenen Wilkinson-Katalysators (Rh(PPh<sub>3</sub>)<sub>3</sub>Cl). Der neue Katalysator besteht aus zwei Teilen: Ein ZnO-Nanodraht trägt isolierte Rhodiumatome, welche die Hydroformylierung von Olefinen katalysieren.</p><h2>Datenbank der Lebenswissenschaften</h2><p>Das Pekinger Institut für Genomik stellt eine digitale Infrastruktur zum Thema Genome zur freien Verfügung. Das BIG Data Center verwaltet biologische Datenbanken. Nucleic Acid Research beschrieb die Bausteine.</p><h2>Tag der wissenschaftlichen Arbeiter</h2><p>Einen Feiertag zu Ehren von Chinas Arbeitern in Wissenschaft und Technik hat der Staatsrat der Volksrepublik China beschlossen. Der Tag soll die 81 Millionen chinesischen Wissenschaftler und Ingenieure ermutigen, China zu einer Weltmacht in Forschung und Technik zu machen. Der „Sci-Tech Worker Day“ findet jährlich am 30. Mai statt.</p>
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<sup>1 </sup>doi: 10.1093/nar/gkw1060</li></ul>


Meldung

Chemiewirtschaft: Blick nach China

Dieseltreibstoff aus BiomasseChinesische Wissenschaftler haben eine Reaktion gefunden, die ein Schritt in der Umsetzung von Biomasse zu Dieselkraftstoff ist. Die Eintopfreaktion setzt kurzkettige Alkanole zu langkettigen Ketonen und Alkoholen (C8 – C19) um. Die Forscher der Chinesischen Akademie...

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<p>Die Doktoranden Lukas Raddatz und Jonas Austerjost beschäftigen sich an der Universität Hannover seit gut einem Jahr mit 3-D-Druckverfahren für Biotechnologie und Chemie. Mit zwei Druckern, dem Makerbot Replicator Z18 von Stratasys (Foto unten) und einem Formlabs Form2 (Fotos S. 147) produzieren sie Gebrauchsgegenstände wie Rührer, Kolbendeckel oder SDS-Gelkämme, die sie selbst entworfen haben. Auch Sonderanfertigungen oder Ersatzteile für Laborgeräte für Kultivierungsarbeiten entwickeln Raddatz und Austerjost in der Arbeitsgruppe von Thomas Scheper, Technische Chemie.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/whAa3s8OQ2SFspE7RHy3"><figcaption><label>Abb. 1: </label>3-D-Druck eines Rings mit dem Makerbot Replicator Z18 von Stratasys.</figcaption></figure>
<h2>Anders als im Heimgebrauch</h2><p>Um die gedruckten Objekte für Zellkulturarbeiten nutzen zu können, müssen sie biokompatibel sowie chemisch und physikalisch stabil sein. Die Wissenschaftler führen daher Toxizitätstests mit den Materialien durch, um negative Einflüsse auf die Zelllebensfähigkeit auszuschließen. Als Standardmaterial für die Prototypen nutzen sie Polylaktonsäure (PLA): Sie ist ungiftig und mit zirka 20 Euro pro Kilogramm ein günstiger Rohstoff. „Am Anfang haben wir nur kleine Würfel oder Ringe als Prüfkörper gedruckt, um die korrekten Parameter und das richtige Material zu finden“, erinnert sich Raddatz. „Mittlerweile wagen wir uns an deutlich komplexere Objekte, auch für die direkte Anwendung im Labor.“</p><h2>Prinzip der Heißklebepistole</h2><p>Bei der Schmelzschichtung gelangt das PLA-Filament auf einer Spule in den Extruder des Druckers. Dieser erhitzt es auf 180 bis 215 °C, einige Grad über dem Schmelzpunkt. Als zähe Masse fließt der Thermoplast Schicht für Schicht auf die Bauplattform. Das Druckverfahren beginnt oft mit dem Aufbau eines grobmaschigen Untergrunds, dem Raft. Er verbessert die Qualität der Unterseite des entstehenden Objekts und verhindert, dass es sich von der Bauplattform löst.</p><p>Der Druck eines Rührers aus Polylaktonsäure (Foto unten rechts) dauert mit dem Z18 bei einer Schichtdicke von 0,2 mm knapp eine Stunde. Mittlerweile arbeitet der Drucker mit einer zweiten Generation von Extrudern: Der Sensor ist weniger fehleranfällig, und der Druckprozess läuft dadurch durchgängig. Dennoch verstopft die Düse bei jedem zwanzigsten Mal. „Das ist deutlich weniger als beim Vorgängermodell“, berichtet Austerjost. Durch eine Magnethalterung lässt sich der Extruder schnell austauschen, und der Drucker steht nicht lange still.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/6tvlcWWnSvCVxH7r891K"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Rührer aus Polylaktonsäure mit Stützstrukturen und einer Schichtdicke von 0,2 mm.</figcaption></figure>
<h2>Kreativität ist gefragt</h2><p>Geschwindigkeitsbestimmender Schritt ist oft nicht der Druck, sondern die Konstruktion der 3-D-Skizze am Computer. Hier brauchen die Doktoranden räumliches Vorstellungsvermögen und die Fähigkeit, detailgetreu zu arbeiten. Mit einem CAD-Programm erstellen sie das gewünschte 3-D-Modell am Computer. „Als wir für einen Kollegen einen Corning-Kolben mit Anschlüssen für Sauerstoffsensor, einer Vorrichtung zur Installation einer sauerstoffdurchlässigen Membran und Luer-Lock-Anschlüssen fertigen sollten, hat die Planungs- und Konstruktionsphase ungefähr einen Monat gedauert“, sagt Raddatz. Die Maße hat er von handelsüblichen Kolben und Anschlüssen übernommen und am Computer nach seinen Wünschen verändert.</p><p>Die Datenbank Grabcad stellt online CAD-Dateien von Standard-Laborutensilien wie Zellkulturplatten oder Reaktionsgefäßen zur Verfügung. Sie befindet sich jedoch im Aufbau.<sup>1)</sup></p><h2>Aufbau statt Abbau</h2><p>Im Vergleich zu Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Schleifen entsteht bei Werkstücken, die schichtweise aufgebaut werden, kaum Abfall. Um die Reinheit und Qualität des Produkts zu gewährleisten, landet am Anfang und am Ende des Druckvorgangs etwas Material im Abfallbehälter: „Das sind Mengen von vielleicht 100 mg“, erläutert Raddatz. Der Raft und notwendiges Stützmaterial für auslaufende Strukturen sind für das Endprodukt ebenfalls überflüssig. Die Doktoranden brechen die Teile vor dem Laboreinsatz ab.</p><h2>Externe Dienstleister</h2><p>Den Temperaturen und Drücken in einem Autoklaven hält Polylaktonsäure nicht stand. Um sterilisierbare Objekte zum Beispiel aus Polyamid zu drucken, schicken die Forscher ihre Computerdateien an den externen Dienstleister Dick&amp;Dick bei Leipzig. Dieser nutzt das im Vergleich zur Schmelzschichtung aufwendige und teure Verfahren des Selektiven Lasersinterns (SLS), um hoch aufgelöste Objekte aus biokompatiblen Kunststoffen zu drucken (Kasten).</p><p>Seit diesem Frühjahr besitzt das Institut in Hannover auch einen Formlabs-Drucker. Dieser nutzt Epoxidharze als Rohstoff und Stereolithografie, um Objekte mit höherer Auflösung und geringerer Schichtdicke als der Z18 herzustellen. Er erzielt eine Auflösung und Schichtdicke von bis zu 25 μm. Es gibt durchsichtige und blickdichte sowie starre und flexible Harze als Material. UV-Licht härtet die Produkte aus.</p><h2>3-D-Druck: die Technik</h2><p>Inzwischen sind Materialien für die additive Fertigung auf dem Markt, die den Ansprüchen in Biotechnologie und Chemie gerecht werden. Sie zeichnen sich durch Biokompatibilität, Bioabbaubarkeit, Hitze- oder Lösemittelstabilität aus. Je nach Anwendung und Material eignen sie sich dabei für unterschiedliche 3-D-Druckverfahren:</p><p>Polylaktonsäure (PLA) wird mit Fused Deposition Modeling (FDM) verarbeitet, bei dem der Kunststoff bei 180 bis 215 °C geschmolzen und in flüssiger Form aufgetragen wird. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise 0,1 bis 0,3 mm und eignet sich damit für Anwendungen wie den schnellen Prototypenbau (Rapid Prototyping).</p><p>Polyamid (PA) hingegen liegt in einem Pulverbett in einem absenkbaren Behälter vor. Ein Laser schmilzt das Pulver punktuell auf, wodurch die erste Schicht entsteht. Das Pulverbett senkt sich ab und ein Schieber trägt eine definierte Menge an Ausgangsmaterial auf, was erneut gesintert wird. Dieses Verfahren heißt Selektives Lasersintern (SLS).</p><p>Stereolithographische Methoden (SLA) bedienen sich ebenfalls einer Lasertechnik. Dabei befindet sich ein Photopolymer, meist ein flüssiges Epoxidharz, in einem Bad und wird von unten mit dem Laser bestrahlt. Bei einer materialspezifischen Wellenlänge polymerisiert das Harz und härtet aus. Überschüssiges Material wird am Ende des Drucks mit Isopropanol entfernt.</p><p>Die Fertigung eines Objektes ist bei 3-D-Druckverfahren in drei Schritte einteilbar (Abbildung). Zunächst wird das Objekt mit einem CAD-Programm geplant und gezeichnet. Durch dieses Computer Aided Design ist es möglich, während der Planungsphase die Objekte dreidimensional anzeigen zu lassen und Fehler zu beheben. Am weitesten verbreitet sind die Programme Autodesk Inventor und AutoCAD.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/qvOgtLjXTvXV5w4xJFOQ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Drei Schritte sind es von der Computerdatei zum fertigen Objekt.</figcaption></figure>
<p>Ist das Objekt fertig entworfen, muss der Volumenkörper in ein für den 3-D-Drucker interpretierbares Format verarbeitet werden. Das Computer Aided Manufacturing (CAM) zerlegt das Objekt spezifisch für den 3-D-Drucker in Schichten. Dieser Schritt heißt Slicen. Neben der Berechnung der Bewegung des Druckkopfs werden weitere Parameter festgelegt, die sich in den Techniken der additiven Fertigung unterscheiden. Ein FDM-Drucker benötigt Daten zur Extrudertemperatur, ein SLA-Gerät hingegen Daten zum Weg, den der Laser abfahren muss.</p><p>Mittlerweile sind viele 3-D-Drucker netzwerkfähig, alternativ lassen sich die Dateien per USB-Stick an den Drucker übertragen. Es folgt die Fertigung des Objekts, wobei einige Geräte zunächst justiert und kalibriert werden müssen, um die Produktqualität zu gewährleisten. Die Dauer eines Druckvorgangs ist dabei von dem Verfahren, dem Gerät und von der gewünschten Qualität des Produkts abhängig.</p><p>Ausblick</p><p>In einigen Bereichen hat die additive Fertigung bereits den Sprung vom Prototypenbau zur Produktion geschafft. Bei Kleinserien, die hohe Ansprüche an Qualität bei gleichzeitig hohem Grad an Spezialisierung erfüllen müssen, werden bereits 3-D-Drucker eingesetzt. Die Vision, individuelle Labormaterialien selbst zu fertigen und direkt anzuwenden, könnte in wenigen Jahren Standard sein.</p><p>Lukas Raddatz, Jonas Austerjost, Institut für Technische Chemie,</p><p>Universität Hannover</p><h2>Ausblick</h2><p>Momentan konzipieren die Doktoranden einen Praktikumsversuch, der die 3-D-Drucktechnik nutzt: „Die Studenten sollen sich die Rührer für eine Mischzeitbestimmung am Makerbot selbst herstellen“, sagt Austerjost. Das Geld dafür kommt von Fonds der chemischen Industrie.</p><p>Neben diesen Anwendungen beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Scheper auch mit dem Bioprinting. In den nächsten Monaten wollen die Wissenschaftler verschiedene Hydrogele als dreidimensionales Gerüstmaterial für Zellen drucken und im Tissue Engineering anwenden. Einen Biodrucker gibt es bereits am Institut. Derzeit testen die Doktoranden damit Materialien und Druckereinstellungen.<sup>2)</sup></p><p>Helene Märzhäuser ist freie Mitarbeiterin der Nachrichten aus der Chemie.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/Djgl2as3Q2iiVXCwAa7T"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Im Labor. Links: Jonas Austerjost mit einem Rührer aus Polylaktonsäure aus dem Makerbot-Replicator-Z18-Drucker; rechts: Lukas Raddatz bei der Arbeit mit dem Formlabs-3-D-Drucker. <named-content>Fotos: Raddatz, Austerjost</named-content></figcaption></figure>

<ul><h2>Literatur</h2><li>
<sup>1 </sup><a href="https://www.grabcad.com" target="_blank">www.grabcad.com</a></li><li>
<sup>2 </sup>K. Schacht, T. Jüngst, T. Zehnder et al., Nachr. Chem. 2016, 64, 13.</li></ul>


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