Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung:

Brennstoffzellen stellen eine etablierte Möglichkeit zur Umwandlung von Energie aus chemischen Energieträgern in elektrische Energie dar. Im Vergleich zu wiederaufladbaren Energiespeichern ermöglichen sie einen theoretisch unbegrenzten Dauerbetrieb. Technisch etabliert sind sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), die nach aktuellem Stand der Technik aus dem perfluorierten Polymer Nafion bestehen. Der Zweck dieser Membranen besteht in der Leitung von Protonen innerhalb einer Brennstoffzelle von einer Elektrode zur anderen, während der Brennstoff und das Oxidationsmittel voneinander getrennt bleiben. Neben der Nutzung von fossilen Rohstoffen für die Produktion ist auch die Recyclierbarkeit beziehungsweise Abbaubarkeit nach der Nutzung dieser Membranen hochproblematisch.

Als potenzielle Alternative zu den derzeit verwendeten Rohstoffen können Materialien wie Cellulose in Betracht gezogen werden, die bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit eine ökologischere Beschaffung und Entsorgung ermöglichen.

In dieser studentischen Arbeit soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, das die finale Schichtdicke und -topologie von gezogenen Membranen aus Cellulose und Cellulose-Derivaten nach der Verdampfung des verwendeten Lösungsmittels vorhersagen kann. Dazu sollen passende Ansätze recherchiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit verglichen werden. Ziel ist es, aus diesen Ansätzen ein Prädiktionsmodell zu entwickeln, das unter Berücksichtigung der Ausgangsschichtdicke, des Umgebungsdrucks, der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Polymerkonzentration im Lösungsmittel sowie weiterer relevanter Parameter eine erste Abschätzung der resultierenden Polymerfilm-Qualität ermöglicht. Das Modell soll durch geeignete Experimente praktisch validiert und bei Bedarf angepasst werden.

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Kurzbeschreibung:

Brennstoffzellen stellen eine etablierte Möglichkeit zur Umwandlung von Energie aus chemischen Energieträgern in elektrische Energie dar. Im Vergleich zu wiederaufladbaren Energiespeichern ermöglichen sie einen theoretisch unbegrenzten Dauerbetrieb. Technisch etabliert sind sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), die nach aktuellem Stand der Technik aus dem perfluorierten Polymer Nafion bestehen. Der Zweck dieser Membranen besteht in der Leitung von Protonen innerhalb einer Brennstoffzelle von einer Elektrode zur anderen, während der Brennstoff und das Oxidationsmittel voneinander getrennt bleiben. Neben der Nutzung von fossilen Rohstoffen für die Produktion ist auch die Recyclierbarkeit beziehungsweise Abbaubarkeit nach der Nutzung dieser Membranen hochproblematisch. Als potenzielle Alternative zu den derzeit verwendeten Rohstoffen können Materialien wie Cellulose in Betracht gezogen werden, die bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit eine ökologischere Beschaffung und Entsorgung ermöglichen.

Im Rahmen dieser studentischen Arbeit wird die Entwicklung einer Filmziehanlage angestrebt. Diese Anlage soll es ermöglichen, verschiedene Polymerlösungen auf Basis von Cellulose und Cellulosederivaten im Labormaßstab herzustellen. Zusätzlich soll die Anlage fähig sein, bereits gezogene Polymerfilme mit weiteren Schichten unterschiedlicher Materialzusammensetzungen zu beschichten. Wichtige Parameter, die bei der Herstellung der Polymerfilme kontrolliert werden müssen, umfassen die Filmdicke, -breite und -länge sowie die Ziehgeschwindigkeit. Darüber hinaus muss die Maschine beständig gegenüber gängigen Lösungsmitteln für Polymere sein.

Die Arbeit beginnt mit einer Literaturrecherche und folgt dem vollständigen Entwicklungsprozess gemäß VDI-Richtlinie 2221. Dieser Prozess reicht von der Erstellung einer detaillierten Anforderungsliste über die Entwicklung und Bewertung grober Konzepte bis hin zur finalen Ausgestaltung. Das Ergebnis des Entwicklungsprozesses ist unter Berücksichtigung der wissenschaftlichen und technischen Standards durch Bauteil- und Zusammenbauzeichnungen sowie zugehörige Stücklisten zu dokumentieren.

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Kurzbeschreibung:

Brennstoffzellen stellen eine etablierte Möglichkeit zur Umwandlung von Energie aus chemischen Energieträgern in elektrische Energie dar. Im Vergleich zu wiederaufladbaren Energiespeichern ermöglichen sie einen theoretisch unbegrenzten Dauerbetrieb. Technisch etabliert sind sogenannte Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), die nach aktuellem Stand der Technik aus dem perfluorierten Polymer Nafion bestehen. Der Zweck dieser Membranen besteht in der Leitung von Protonen innerhalb einer Brennstoffzelle von einer Elektrode zur anderen, während der Brennstoff und das Oxidationsmittel voneinander getrennt bleiben. Neben der Nutzung von fossilen Rohstoffen für die Produktion ist auch die Recyclierbarkeit beziehungsweise Abbaubarkeit nach der Nutzung dieser Membranen hochproblematisch. Als potenzielle Alternative zu den derzeit verwendeten Rohstoffen können Materialien wie Cellulose in Betracht gezogen werden, die bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit eine ökologischere Beschaffung und Entsorgung ermöglichen.

In dieser studentischen Arbeit sollen zwei etablierte Prozesse zur Herstellung von Celluloseacetat, einem Cellulosederivat, am Institut für Mehrphasenprozesse im Hinblick auf ihre Ausbeute und die Qualität des synthetisierten Endprodukts optimiert werden. Der erste Prozess basiert auf der klassischen Acetylierung durch die Bildung von Cellulosediacetat in Essigsäure. Der zweite Prozess ist ein innovatives Verfahren, das Ionische Flüssigkeiten (Ionic Liquids, IL) verwendet. Die Prozesse werden anhand der gravimetrisch bestimmten Ausbeute und des Substitutionsgrads (Degree of Substitution, DS) bewertet, um den optimalen Parametersatz für die Synthese von Celluloseacetat zu ermitteln. Darüber hinaus soll der Einfluss der Aufbereitung der Reaktionsmedien aus dem IL-Prozess auf die Ausbeute und den DS untersucht werden. Zusätzlich sollen aus dem synthetisierten Celluloseacetat Membranen mit protonenleitenden Eigenschaften unter Verwendung am IMP etablierter Verfahren hergestellt werden. Dabei wird der Einfluss der Syntheseparameter auf die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Membran analysiert.

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Kurzbeschreibung:

Am Institut für Mehrphasenprozesse werden neuartige Prüfsysteme für Infektionsschutzmasken entwickelt. Diese setzen unter anderem auf die Verwendung von Liposomen zur realitätsnahen Nachbildung von Virus-belasteten Fluiden. Dabei handelt es sich um sphärische Strukturen aus Lipiden, wie sie auch in den Zellwänden von pro- und eukaryotischen Zellen sowie bei Viren zu finden sind. Zur Erhöhung der Spezifizität des Prüfverfahrens soll die Oberfläche der eingesetzten Liposomen so modifiziert werden, dass sie der verschiedener Viren ähnelt und nach Bedarf angepasst werden kann. Hierzu konnten bereits in Vorarbeiten geeignete Verfahren identifiziert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die bisher identifizierten Oberflächenmodifikationen von Liposomen im Rahmen eines Proof of Concept erprobt werden. Insbesondere der Einbau von Spikeproteinen und anderen (Trans­-­)Membranproteinen sowie die Immobilisierung der Vesikel auf geeigneten Oberflächen steht hierbei im Fokus. Als Modell soll bovines Serum-Albumin dienen. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnissen sollen die untersuchten Verfahren gegenübergestellt und eine Vorschrift zur Modifikation von Fluoreszenz-markierten Liposomen entwickelt werden. Die Ergebnisse sind zudem auf die Verwendung von Polymersomen zu übertragen sowie eine Abschätzung und gegebenenfalls Erprobung der Verfahren für diesen Anwendungsfall erfolgen. Für die Modifikation sind die idealen Prozessparameter (Temperatur, Druck, Kühlrate, Lösungszusammensetzung, Zyklen etc.) zu ermitteln. Die erfolgreiche Funktionalisierung der markierten Liposomen ist abschließend durch geeignete Verfahren zu bestätigen. Diese sind im Vorfeld zu recherchieren und gegenüberzustellen. Die Ergebnisse sollen als Versuchsvorschrift dokumentiert werden.

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