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Organisationseinheit der BAM
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Mit der Initiative QI-Digital werden völlig neue Perspektiven für das Sicherheitsmanagement und die Qualitätssicherung technischer Anlagen erschaffen. Unsere Forschung im Kontext einer Wasserstofftankstelle zeigt, wie digitale Innovationen und Verfahren die Herausforderungen effizienter und verlässlicher Qualitätssicherung für komplexe Anlagen bewältigen können.
In diesem Vortrag werden Potentiale und Beispiele der digitalen QI für technische Anlagen demonstriert und diskutiert: Moderne Anlagenüberwachung mit digitalen Zwillingen und KI sowie Kalibriermanagement mithilfe digitaler Kalibrierscheine und elektronischem Siegel.
Sprengversuche sind ein wesentliches Werkzeug, um die Eignung von Schutzobjekten und Bauteilen zum Schutz der Bevölkerung vor Anschlägen mit explosionsgefährlichen Stoffen wie Explosivstoffen, sogenannten „home-made-explosives“ (HME) und unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtungen (USBV) zu bewerten. Für forensische Zwecke werden oft Explosionsszenarien nachgebildet, um die Auswirkung von Anschlägen oder Unfällen genau untersuchen zu können. Feldversuche in Kombination mit numerischen Simulationen ermöglichen eine Charakterisierung der Belastung und Schädigung von Bauteilen und Strukturen unter hochdynamischen Explosionsbelastungen.
Auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM in Horstwalde, Brandenburg werden Sprengversuche im Real-Maßstab durchgeführt. Dabei werden Bauteile mit Messtechnik ausgestattet, um eine dynamische Strukturcharakterisierung mittels sensorbasierten Monitorings zu ermöglichen.
In diesem Vortrag werden am Beispiel einer Versuchskampagne mit einer Stahlbetonwand als Prüfkörper die Eignung verschiedener Prüfmethoden bei Sprengversuchen evaluiert. Es werden Messmethoden zur Charakterisierung der Explosionsereignisse, des globalen Strukturverhaltens sowie der lokalen Schädigung vorgestellt.
Die direkte Charakterisierung der Explosionsbelastung erfolgt mit Hilfe von piezo-elektrischen Druckaufnehmern (bündig mit der Oberfläche im Prüfkörper montiert) und High-Speed-Kameras. Die Beobachtung der explosionsinduzierten Reaktion des Bauteils während und nach dem Eintreffen der Stoßwelle erfolgt mittels Beschleunigungssensoren, Stereo-Fotogrammetrie sowie mit in den Prüfkörper eingebetteter verteilter faseroptischer Sensoren, mit Hilfe derer die Dehnungsraten im Bauteil zeit- und ortsaufgelöst gemessen werden können. Die faseroptischen Sensoren erlauben außerdem die örtlich hochaufgelöste Bestimmung statischer Dehnungsänderungen im Bauteil nach einem Versuch, sodass auch nicht sichtbare Schädigungen wie kleinste Risse detektiert und charakterisiert werden können. Vergleichende Messungen mit Ultraschall komplettieren die Schadenscharakterisierung. In unserem Beitrag diskutieren wir die Herausforderungen dieser Messungen sowie die Ergebnisse und Möglichkeiten der genannten komplementären Messmethoden.
Unternehmen der Prozessindustrie müssen neue Wege finden, um in einem sich wandelnden Umfeld erfolgreich zu überleben, und gleichzeitig flexiblere Wege der Produkt- und Prozessentwicklung finden, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen – insbesondere hochwertige, hochwertige Produkte wie Feinchemikalien oder Arzneimittel. Dies wird zukünftig durch Veränderungen in den Wertschöpfungsketten entlang einer potenziellen Kreislaufwirtschaft erschwert.
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und zum Einsatz maschineller Verfahren in der Produktion von Spezialchemikalien durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert.
Es wird auch auf die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ eingegangen, die Ende 2021 erschienen ist. Im Zentrum dieser Roadmaps stehen Sensoren zur Erfassung von physikalischen und chemischen Messgrößen mittels spezifischer und unspezifischer Messverfahren, die zur Steuerung und dem besseren Verständnis von Prozessen dienen. Die Roadmap fasst die gemeinsame Technologie- und Marktsicht von Anwendern, Herstellern und Forschungs¬einrichtungen im Bereich Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie zusammen. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind übergreifende Kernthemen der künftigen Entwicklung.
Fluorescent molecularly imprinted polymers (MIPs) for sensing of phosphorylated protein epitopes
(2019)
Early detection of cancer is instrumental for successful therapeutic outcomes, but it is presently a considerable challenge. Biopsy of potentially cancerous tissues is the gold standard in medicine for the diagnosis and prognosis of this disease; however, it may not be possible in many cases due to tumour position or other complications. Liquid biopsy-based detection of specific cancer markers in biological fluids can be easily performed via immunoanalytical techniques. However, antibody-based methods suffer from high cost of tumour specific antibodies due to difficult and lengthy production. Furthermore, antibodies may have limited specificity to the target molecule, and limited lifetimes. The so-called “plastic antibodies” as MIPs can be a more affordable, reliable and stable alternative to antibodies, especially for cancer diagnostics.
Our goal is to create MIP particles to selectively bind cancer biomarkers and rapidly display a fluorescence change upon interaction with molecules of interest. Epitopes containing the phosphorylated tyrosine (pY) motif such as tripeptide YpYG and tetrapeptide pYEEI were selected as target analytes. Cancers may disrupt tyrosine phosphorylation processes regulated by human tyrosine kinases such as ZAP-70 and subsequently lead to a pronounced increase in pY residues on proteins. To ensure fast diffusion of analyte and rapid response core/shell silica micro- and nanoparticles with a thin polymer shell was chosen as the format for MIP synthesis. Fluorescent probe monomers consisting of fluorophore and recognition units are directly integrated in the polymer shell to obtain fluorescence response upon analyte binding.
We have synthesized the fluorescent MIP particles based on the previously published report for the novel phosphorylated targets with a high imprinting factor and high degree of discrimination between target analyte and non-phosphorylated and smaller competitors. The synthesized particles may be used in microfluidic devices for the rapid diagnostics of cancer.
Fluorescent molecularly imprinted polymers (MIPs) for sensing of phosphorylated protein epitopes
(2019)
Early detection of cancer is instrumental for successful therapeutic outcomes, but it is presently a considerable challenge. Biopsy of potentially cancerous tissues is the gold standard in medicine for the diagnosis and prognosis of this disease; however, it may not be possible in many cases due to tumour position or other complications. Liquid biopsy-based detection of specific cancer markers in biological fluids can be easily performed via immunoanalytical techniques. However, antibody-based methods suffer from high cost of tumour specific antibodies due to difficult and lengthy production. Furthermore, antibodies may have limited specificity to the target molecule, and limited lifetimes. The so-called “plastic antibodies” as MIPs can be a more affordable, reliable and stable alternative to antibodies, especially for cancer diagnostics.
Our goal is to create MIP particles to selectively bind cancer biomarkers and rapidly display a fluorescence change upon interaction with molecules of interest. Epitopes containing the phosphorylated tyrosine (pY) motif such as tripeptide YpYG and tetrapeptide pYEEI were selected as target analytes. Cancers may disrupt tyrosine phosphorylation processes regulated by human tyrosine kinases such as ZAP-70 and subsequently lead to a pronounced increase in pY residues on proteins. To ensure fast diffusion of analyte and rapid response core/shell silica micro- and nanoparticles with a thin polymer shell was chosen as the format for MIP synthesis. Fluorescent probe monomers consisting of fluorophore and recognition units are directly integrated in the polymer shell to obtain fluorescence response upon analyte binding.
We have synthesized the fluorescent MIP particles based on the previously published report [W. Wan et al., Chem. Eur. J., 2017, 23, 15974-1598] for the novel phosphorylated targets with a high imprinting factor and high degree of discrimination between target analyte and non-phosphorylated and smaller competitors. The synthesized particles may be used in microfluidic devices for the rapid diagnostics of cancer.
Die Schwerpunktthemen für die Forschung der BAM im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung werden vorgestellt. Es stehen die aktuellen Forschungsprojekte der Fachbereiche 8.1 bis 8.7 der Abteilung 8 und des Arbeitsgebietes Probabilistische Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen von Frau Dr. Bertovic sowie der Nachwuchsgruppe von Frau JProf. Dr. Kruschwitz im Vordergrund.
Die Varroose gilt weltweit als eine der bedeutendsten Erkrankungen der westlichen Honigbiene, Apis mellifera. Verursacht wird sie durch den Ektoparasiten Varroa destructor, der durch Saugen der Hämolymphe und Virenübertragung sowohl die Bienenbrut als auch die adulten Individuen schädigt.
Ohne imkerliche Unterstützung gehen betroffene Bienenvölker in der Regel innerhalb von drei Jahren ein. Als bewährte, häufige Behandlung wird flächendeckend 60%ige Ameisensäure (AS) -im Bienenstock appliziert über verschiedene Verdampfungssysteme- eingesetzt. Sie wirkt als einziger zugelassener Wirkstoff gegen die Varroamilbe auch in die verdeckelte Brut hinein und birgt kein Risiko der Resistenzentwicklung.
Allerdings ist das therapeutische Fenster, der Bereich zwischen Milbenabtötung und Bienenschädigung, relativ schmal und die tatsächliche AS-Konzentration im Bienenstock stark abhängig von äußeren Einflussfaktoren, wie Temperatur oder Applikationsart.
Eine Bestimmung der exakten AS-Konzentration im Bienenstock ist also notwendig, um einerseits das Wirkungsoptimum zu bestimmen und andererseits bei Übersteigen der Maximalkonzentrationen mit Folge-Schädigung der Bienen, ein rechtzeitiges Eingreifen der Imker zu ermöglichen.
Die Entwicklung eines Detektors zur Bestimmung der tatsächlichen AS-Konzentration in der Bienenstockluft würde einen großen Fortschritt in den Bereichen der Bienenforschung, der Varroa-Behandlung in der Imkerei, sowie einer gesundheitlich bedenklichen AS-Exposition für den Imker bedeuten.
Langfristiges Ziel dieses Projekts ist es, ein mobiles, einfach handhabbares Gerät zur Detektion der AS-Konzentration in der Bienenstock-Luft während einer AS-Behandlung zu entwickeln.
Grundlage hierfür bietet ein kommerziell verfügbares Multigassensorsystem (PEN3, AIRSENSE Analytics GmbH, Schwerin).
Ziel der beschriebenen Vorversuche ist die generelle Eignungsprüfung des Multigassensorsystems PEN3 zur Detektion der hohen AS-Konzentration in Gasgemischen unter Bedingungen wie sie im Bienenstock während einer AS-Behandlung herrschen.
Als Messplatz zur Detektion von AS in Luft wurden zwei Systeme vorbereitet:
A) Eine Plexiglasbox mit einem Volumen von ca.1,9 l diente als Prüfkammer, wurde von einem Gasstrom befeuchteter synthetischer Luft durchströmt (50 mL min-1, 100 mL min-1 oder 300 mL min-1) und zur Temperierung auf 25 °C auf einer Heizmatte bzw. auf 35 °C in einem Ofen platziert. AS-Wasser-Gemische verschiedener Volumenverhältnisse (0-100%) wurden in einer Glasschale (Oberfläche Flüssigphase 9,6 cm2) in der Prüfkammer vorgelegt.
B) In einer durch eine Heizmatte auf 25 °C temperierten, zwei-zargigen Segeberger Beute wurden vier Messpunkte angebracht (davon drei in der oberen und einer in der unteren Etage) und 60%ige AS über einen Nassenheider-Verdampfer vertikal vorgelegt.
Zur Detektion des AS-Luft-Gemischs wurde das PEN3 Multigassensorsystem genutzt. Das zu untersuchende Gasgemisch wurde über die internen zehn Metalloxid-Halbleiterdetektoren (1-10) der PEN3 geleitet. Das so generierte Messsignal beschreibt ein Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandwert zum Zeitpunkt der Messung (R) und dem elektrischen Widerstand bei der Nullluft-Messung (R0), wobei hier befeuchtete synthetische Luft mit einer reltativen Feuchte von 49 % ± 4 % oder Raumluft genutzt wurde. Gase unterschiedlicher Zusammensetzung können anhand der dargestellten Signalmuster verschiedener Sensoren voneinander unterschieden werden.
In beiden Messsystemen wiesen die Sensorelemente 1, 6, 7, 8 und 9 gesteigerte Sensitivitäten beim Vorliegen von Ameisensäure im Gasgemisch auf. Die größten Widerstandsverhältnisse zeigten dabei die Sensorelemente 6, 8 und 9, sodass hier von der höchsten Empfindlichkeit für AS auszugehen ist.
Basierend auf den erhobenen Messdatensätzen wurden Hauptkomponenten- (PCA) und lineare Diskriminanzanalysen (LDA) zur Dimensionsreduktion durchgeführt, um charakteristische Muster aus den Messsignalen zu extrahieren. Die PCA- und LDA-Plots für die jeweils bedeutsamsten Komponenten PC 1 und PC 2 bzw. LD 1 und LD 2 eines Versuchslaufs in der Plexiglasbox (A) bei einer Temperatur von 35°C, einem Volumenstrom von 300 mL min-1 und variablen Ameisensäure-Wasser-Volumenverhältnissen von 0 % bis 100 %. Deutlich erkennbar sind die Abhängigkeiten der Komponenten PC 1 und LD 1 (Abszissen) vom vorgelegten AS-Wasser-Volumenverhältnis. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Multigassensorsystem zur Bestimmung von AS in Luft unter ähnlichen Bedingungen wie bei einer AS-Behandlung im Bienenstock angewandt werden kann.
Die Versuche zeigen, dass die im PEN3 eingesetzten Metalloxid-Sensoren bzw. Metalloxidsensor-Arrays zur Detektion von AS in Luft auch bei höheren Konzentrationen als beispielsweise der MAK-Wert von 5 µmol/mol zur Überwachung des AS-Gehaltes in Bienenstöcken angewandt werden können. Aufgrund der Möglichkeit der quasi Echtzeit-Messdatengenerierung, der geringen Kosten kommerziell verfügbarer Sensorelemente, der Portabilität und der Möglichkeit zur Miniaturisierung zeichnen sich solche Messsysteme zukünftig durch eine besondere Praxisnähe aus. Diese Erkenntnisse sind Grundlage für eine Verbesserung des Detektionsverfahrens und zur Vorhersage über die Effizienz und Effektivität der Varroha-Milbenbehandlung.
Um in einem veränderten Umfeld erfolgreich bestehen zu können, müssen Chemieunternehmen neue Pfade beschreiten. Dazu gehört insbesondere das Potential digitaler Technologien. Die volle Integration und intelligente Vernetzung von Systemen und Prozessen kommt zögerlich voran.
Dieser Vortrag ist ein Loblied auf die Feldebene. Er möchte dazu ermutigen, die Digitalisierung der Prozessindustrie auf Basis smarter Sensorik, Aktorik und Kommunikation ganzheitlicher zu denken und informiert über aktuelle technische Perspektiven, wie das „Ein-Netzwerk-Paradigma“, Ad-hoc-Vernetzungen, Edge-Computing, FPGAs, virtuelle Maschinen oder Blockchain. Diese geben smarter Sensorik, Aktorik und Kommunikation eine völlig neue Perspektive.