Chemie und Prozesstechnik
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Die Erforschung des Proteoms, der Gesamtheit der Proteine eines Lebewesens, ist von großer Bedeutung für das Verständnis biologischer Systeme. Aufgrund dessen ist die Proteomik ist eines der bedeutendsten aktuellen Forschungsfelder der Biowissenschaften. In der Bottom-Up-Proteomik werden die Proteine einer Probe vor ihrer Analyse einem enzymatischen Verdau mit Proteasen unterzogen, was eine erleichterte Analyse mit hohem Durchsatz ermöglicht. Aufgrund seiner hohen Aktivität und Effektivität hat sich die Serinprotease Trypsin als Standard-Enzym der Proteomik etabliert. Die weitere Verbesserung ihrer Enzymcharakteristika, wie Thermostabilität und Aktivität, ist unter anderem durch Immobilisierung an ein Trägermaterial oder genetische Modifikation möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde eine von Xiao et al. 2023 entwickelte thermostabile Trypsin-Variante mit erhöhter Oberflächen-Hydrophobizität rekombinant in E. coli hergestellt und sowohl immobilisiert als auch in Lösung hinsichtlich ihrer Enzymaktivität und Thermostabilität im Vergleich zum Wildtyp charakterisiert. Die vorliegende Arbeit stellt dabei eine Erstbeschreibung der Immobilisierung einer thermostabilen Trypsin-Spezies an ein Trägermaterial dar und untersucht somit erstmalig das Zusammenspiel der beiden Optimierungsstrategien Immobilisierung und genetische Modifikation.
Das thermostabile Trypsin und sein Wildtyp wurden rekombinant als Zymogene hergestellt, wobei trotz verschiedener Strategien zum Erhalt der nativen Konformation, wie der Fusion mit dem Chaperon-ähnlichen Maltose-bindenden Protein (MBP), eine starke Aggregation in Einschlusskörperchen (inclusion bodies, IB) erfolgte. Im Zuge der Rückfaltung der fehlgefalteten Proteine wurden verschiedene Rückfaltungsbedingungen untersucht, wobei die Vorteile einer langsamen Absenkung des Gehalts der Denaturierungsreagenz in Kombination mit einem Cystein-Cystine- Redoxsystem dargelegt werden konnten. Es konnte keine Verbesserung der Aktivität und Thermostabilität des genetisch modifizierten Enzyms in freier Form festgestellt werden, jedoch eine erhöhte Substrataffinität. Durch Immobilisierung an Magnetbeads mit tosylfunktionalisierter Oberfläche konnte die Enzymaktivität der genetisch modifizierten Trypsin-Variante bei 80 °C vollständig erhalten werden, während die Aktivität des Wildtyps verringert wurde. Dies legt nahe, dass die erhöhte Oberflächen-Hydrophobizität der modifizierten Trypsin-Variante zu einer erhöhten Bindung an das Trägermaterial beiträgt, was eine Verbesserung der Stabilität bei thermischer Erhitzung bewirkt.
Der Band 5 der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentiert den aktuellen Stand materialwissenschaftlicher und bildgebender Verfahren, die bei der Untersuchung von Zeichnungen Anwendung finden. Im ersten Teil der Publikation werden die klassischen Zeichnungsträger und Zeichnungsmaterialien vorgestellt. Der mittlere Teil der Publikation beschreibt die relevanten materialwissenschaftlichen und bildgebenden Verfahren. Der letzte Teil diskutiert anhand einiger Fallbeispiele die Möglichkeiten und Grenzen der Methoden.
Der Arbeitsschwerpunkt „Sauerstoff“ des Fachbereichs 2.1 ist v.a. durch seine wissenschaftlich-technischen Tätigkeiten und seine Einnahmen aus Dienstleistungsvorgängen geprägt und bekannt. Die Durchführung standardisierter und nichtstandardisierter Prüfungen zur Untersuchung der Eignung nichtmetallischer Materialien sowie die Prüfung auf Ausbrennsicherheit von Armaturen und Anlagenteilen für den Einsatz in Sauerstoff stellen einen Großteil der Tätigkeiten und Arbeiten dar. Weit weniger bekannt sind die Forschungsaktivitäten des Arbeitsschwerpunkts, von denen drei Beispiele in diesem Vortrag kurz vorgestellt werden:
Die in Normen für Druckstoßprüfungen festgelegte Sauerstofftemperatur beträgt bei den nichtmetallischen Materialien 60 °C, bei den Armaturen aber 65 °C. Seit mehr als zwei Jahren werden nunmehr systematische Untersuchungen durchgeführt, ob dieser Temperaturunterschied zu signifikanten Unterschieden bei den Prüfergebnissen der nichtmetallischen Materialien führt. Ziel ist es, einerseits den Prüfaufwand zu optimieren und andererseits die entsprechenden Normen zu harmonisieren.
Es ist bekannt, dass Bearbeitungsverfahren, Probenvorbereitung und Vorkonditionierung einen Einfluss auf die Eignung nichtmetallischer Materialien für den Einsatz in Sauerstoff haben können. Anhand einer Charge eines Referenzmaterials werden diese möglichen Einflussfaktoren in Kooperation mit industriellen Partnern systematisch untersucht. Ziel hierbei ist es, unterschiedliche Prüfergebnisse einer Materialcharge zu erklären, die kritischsten Prüfbedingungen herauszufinden und Möglichkeiten der Übertragbarkeit von Prüfergebnissen auszuloten.
Wasserstoff gilt als zukunftsweisender Energieträger, der bei der Elektrolyse von Wasser anfallende Sauerstoff soll dabei ebenfalls genutzt werden. Die Anforderungen an die eingesetzten Materialien (Kombination aus niedrigem Druck, hohem Wasserdampfanteil im Sauerstoff und hoher Temperatur) führen dazu, dass bestehende und bewährte Prüfeinrichtungen modifiziert werden müssen. Im Rahmen BAM-interner Forschungsvorhaben und mit Unterstützung industrieller Partner wurde damit begonnen, die Zündtemperaturbestimmung sowie die Untersuchung des Alterungsverhaltens nichtmetallischer Materialien in Wasserdampf-gesättigtem Sauerstoff zu untersuchen
Nichtelektrischer Explosionsschutz - Grundlagen und Maßnahmen zum nichtelektrischen Explosionsschutz
(2024)
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanischen Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Weitere Festlegungen von Grenzwerten für die kinetische Schlagenergie und geeignete Werkstoffpaarungen finden sich u.a. in der DIN EN 1755 (ex-geschützte Flurförderzeuge) und in der DIN EN 14986 (ex-geschützte Ventilatoren).
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanischen Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Weitere Festlegungen von Grenzwerten für die kinetische Schlagenergie und geeignete Werkstoffpaarungen finden sich u.a. in der DIN EN 1755 (ex-geschützte Flurförderzeuge) und in der DIN EN 14986 (ex-geschützte Ventilatoren).
Wasserstoff stellt einen potenziellen Energieträger für den großskaligen Import von Energie nach Europa dar. Von seinen verschiedenen Speicherformen eignet sich hierfür insbesondere verflüssigter Wasserstoff, mit dem sich auf gleichem Volumen deutlich mehr Energie speichern lässt als bei der druckbasierten Speicherung. Verflüssigter Wasserstoff wird bei minus 253°C gespeichert und muss für dessen Transport lange bei dieser niedrigen Temperatur gehalten werden. Dies stellt besondere Herausforderungen an die thermische Isolation von Tanks. Der Erforschung nachhaltiger, kosten- und energieeffizienter sowie sicherer thermischen Isolationen wird im NICOLHy Projekt, unter Leitung der BAM, nachgegangen.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanischen Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Weitere Festlegungen von Grenzwerten für die kinetische Schlagenergie und geeignete Werkstoffpaarungen finden sich u.a. in der DIN EN 1755 (ex-geschützte Flurförderzeuge) und in der DIN EN 14986 (ex-geschützte Ventilatoren).
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle ([1], [2]), welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 10 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
Detektion, Quantifizierung und Entfernung von insbesondere ultrakurzkettigen PFAS in Grundwasser
(2024)
Da PFAS in großem Umfang in einer Vielzahl von Produkten verwendet wurde, sind sie im Grundwasser in der Nähe vieler industrieller und militärischer Anlagen weltweit zu finden. Darüber hinaus führten neue Vorschriften und Beschränkungen für die Verwendung von langkettigen PFAS zu einer vermehrten Produktion kurzkettiger Alternativen. Ultrakurzkettige PFAS (≥C3) können natürliche und anthropogene Barrieren durchdringen und schließlich in Trinkwasserquellen gelangen. Zudem entfernen die meisten gängigen Trinkwasser-aufbereitungsverfahren die ultrakurzkettigen PFAS nicht ausreichend. Im Kooperationsprojekt DEFEAT-PFAS wird daher das Ziel verfolgt, Wissenslücken über Nachweis, Quantifizierung und Entfernung von kurz- (C4-C7) und ultrakurzkettige (C1-C3) PFAS, in kontaminiertem Grundwasser zu schließen. Die israelischen und deutschen Projektpartner entwickeln dafür analytische Methoden and selektive Passivsammler, um das zeitliche Profil von PFAS-Spezies im Grundwasser zu erfassen und überwachen. Darüber hinaus ein zweistufiges Verfahren entwickelt, welches darauf ausgelegt ist, die relativ niedrigen PFAS-Konzentrationen im Grundwasser durch neuartige Membranverfahren, Umkehrosmose im Batchbetrieb mit geschlossenem Kreislauf sowie Verbund-Nanofiltrationsmembranen, zu konzentrieren. Anschließend werden die PFAS angereicherten Konzentrate mittels Koagulation behandelt und das verbleibende PFAS an kohlenstoffhaltigen Nanomaterialien adsorbiert.