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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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 Arbeit sollen unterschiedliche Ansätze zur faserbasierten Verstärkung von Polymer-Elektrolyt-Membranen auf Basis von Cellulose eruiert werden. In diesem Zusammenhang sollen verschiedene Ansätze sowohl für die Wahl des Matrixwerkstoffs als auch des Faserwerkstoffs recherchiert werden. Auch die Art und Weise, wie beide Werkstoffe erzeugt werden und wie sie zur Membran zusammengefügt werden, soll hierbei beleuchtet werden.

Als Ausgangsstoff sollen Zellulosefasern dienen, welche im Rahmen eines Forschungsprojekts am Institut für Mehrphasenprozesse aus Ananaspflanzenresten gewonnen werden. Des Weiteren sollen die in der relevanten Literatur angeführten Analyseverfahren zur Charakterisierung der hergestellten Membranen hervorgehoben werden.

Auf Basis der umfassenden Literaturrecherche sollen die vielversprechendsten Ansätze und die durch die involvierten Forschungsgruppen erzielten Resultate miteinander hinsichtlich ihrer Protonenleitfähigkeit, mechanischen Festigkeit, erzielten Energiedichten sowie Recyclierbarkeit gegenübergestellt werden.

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Kurzbeschreibung:

Cochlea Implantate werden zur Behandlung von Taubheit und hochgradiger Schwerhörig-keit eingesetzt. Zur Stimulation des Hörnervs dient ein in die Hörschnecke eingeführter Elektrodenträger mit eingebetteten Platinelektroden. Nach der Implantation bildet sich ein Mantel aus Bindegewebe um den Elektrodenträger. Dies resultiert in einer erhöhten Impedanz für die Stimulation des Hörnervs, einer nicht vorhersehbaren Reizausbreitung sowie einem erhöhten Energiebedarf. Eine Möglichkeit zur Reduktion des Bindegewebe-wachstums ist die Mikrostrukturierung der Elektrodenoberfläche. Durch das Aufbringen von hydrophoben Materialien wie Silikonen können die Adhäsion und das Wachstum von Fibroblasten gehemmt werden. Der Elektrospinnprozess eignet sich für die Oberflächen-modifikation der Elektroden durch das Aufbringen von Polymerfasern im Mikro- und Nanometerbereich. Die Stabilität des Prozesses wird dabei wesentlich durch die zeitabhängige Vernetzung und die damit verbundene Viskositätsänderung der flüssigen Elastomerbasis beeinflusst.

In dieser Arbeit soll die Temperaturabhängigkeit der Vernetzungsreaktion von Silikonelastomeren untersucht werden. Als Kennwerte für den Vernetzungsgrad werden die rheologischen Eigenschaften (Viskosität, Relaxationszeit) der Lösungen bestimmt. Zusätzlich soll eine thermische Charakterisierung mittels dynamischer Differenz-kalorimetrie durchgeführt werden.

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Kurzbeschreibung:

Cochlea Implantate werden zur Behandlung von Taubheit und hochgradiger Schwerhörig-keit eingesetzt. Zur Stimulation des Hörnervs dient ein in die Hörschnecke eingeführter Elektrodenträger mit eingebetteten Platinelektroden. Nach der Implantation bildet sich ein Mantel aus Bindegewebe um den Elektrodenträger. Dies resultiert in einer erhöhten Impedanz für die Stimulation des Hörnervs, einer nicht vorhersehbaren Reizausbreitung sowie einem erhöhten Energiebedarf. Eine Möglichkeit zur Reduktion des Bindegewebe-wachstums ist die Mikrostrukturierung der Elektrodenoberfläche. Durch das Aufbringen von hydrophoben Materialien wie Silikonen können die Adhäsion und das Wachstum von Fibroblasten gehemmt werden. Der Elektrospinnprozess eignet sich für die Oberflächen-modifikation der Elektroden durch das Aufbringen von Polymerfasern im Mikro- und Nanometerbereich. Die Formstabilität der elektrogesponnenen Silikonfasern wird jedoch durch die zeitabhängige Vernetzung der flüssigen Elastomerbasis beeinträchtigt.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Beleuchtungseinheit zur Beschleunigung der Vernetzungsreaktion entwickelt und validiert werden. Infrarotlampen als Lichtquellen stehen bereits zur Verfügung. Deren Eignung für die Vernetzung des Silikonelastomers wurde in vorangegangenen studentischen Arbeiten nachgewiesen. In dieser Arbeit sollen die ungerichteten Infrarotlampen durch eine nachgeschaltete Einheit ergänzt werden, welche eine zielgerichtete Bestrahlung des Kollektors erlaubt und das übermäßige Aufheizen der übrigen Komponenten der Versuchsanlage verhindert.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Konstruktive Auslegung der Beleuchtungseinheit
• Bestimmung der resultierenden Oberflächentemperaturen
• Validierung der Beleuchtungseinheit im Elektrospinnprozess

Erfahrungen:

• Objektive und kritische Herangehensweise
• Selbstständiges Arbeiten

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Kurzbeschreibung

Interaktionen an der Oberfläche von Implantaten bilden einen Schwerpunkt der Tätigkeiten der Arbeitsgruppe Grenzflächenverfahrenstechnik am Institut für Mehrphasenprozesse. Die Schnittstelle zwischen Organismus und Implantat stellt in der Anwendung vielfältige Herausforderungen dar. Insbesondere die Gleiteigenschaften spielen dabei ein große Rolle. Diese haben erheblichen Einfluss auf z.B. die Insertionskräfte während der Implantation von Cochlea-Implantaten aber auch auf die Neigung von ungewolltem Bewuchs mit Narbengewebe. Superhydrophobic Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) sind eine 2011 erstmals beschriebene Möglichkeit, Oberflächen zu schaffen, an welchen ein Anhaften praktisch nicht möglich ist. Sie bilden daher einen vielversprechenden Ansatz für die Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Zur Herstellung dieser Oberflächen wird ein möglichst poröses Substrat benötigt, welches mit einer hydrophoben Flüssigkeit getränkt wird. Ein solches Substrat kann mit dem am IMP etablierten Elektrospinning produziert werden. Hierfür eignen sich unterschiedliche Polymere, welche unterschiedliche Eigenschaften und Einflüsse auf die Performance der SLIPS-Beschichtung haben. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl möglicher Schmiermittel, die für die Erreichung des SLIPS-Effektes eingesetzt werden können. Die Eignung zweier Materialien lässt sich dabei aus ihren Oberflächeneigenschaften (Oberflächenenergie, Kontaktwinkel) ableiten. Hierfür wird der Ansatz von Van Oss, Chaudhury und Good (vOCG) zur Beschreibung der Oberflächenenergie verwendet, für den materialspezifische Komponenten notwendig sind. Ziel dieser Arbeit ist es, für gängige SLIPS-Materialien die vOCG-Komponenten mit bereits festgelegten Verfahren zu bestimmen. Anschließend sind die Komponenten für bisher nicht untersuchte Materialien sowie deren Eignung für die Herstellung von SLIPS zu bestimmen.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu Oberflächenergien, insbesondere zum vOCG-Ansatz
• Recherche zu Vorhersageverfahren/Methoden zur Bestimmung der vOCGKomponenten
• Bestimmung der vOCG-Komponenten und Validierung der Eignung für SLIPSBeschichtungen

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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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Background/Motivation:

Blood is a complex fluid and, due to its opaque nature, the use of optical methods to study the shear-induced orientation and deformation of blood cells is limited. Artificial blood with an artificial plasma phase and hydrogel-based microparticles representing erythrocytes was introduced to overcome this limitation. Rheological experiments have shown promising results. However, the influence of particle size and number needs to be further understood.

Scope and goal of the project:

This project will further investigate the influence of particle size on shear behaviour under relevant shear conditions. Additionally, the particle concentration within the artificial plasma phase will be gradually increased to enable a comparison of the single particle influence with the rheological behaviour of the bulk fluid. Particular emphasis will be given to the measurement artefacts due to sedimentation or wall slip, and possible solutions will be evaluated theoretically and experimentally to minimise the effects of the latter.

The master thesis project will be carried out under co-supervision between the Institute of Multiphase Processes and NETZSCH-Gerätebau GmbH.

Are you interested? Do you have questions about the exact process and scope of the work? Get in touch and make an appointment for a non-committal discussion!

Kurzbeschreibung:

Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojektes des Instituts für Mehrphasenprozesse (IMP), das sich mit der Entwicklung künstlicher Erythrozyten beschäftigt. Ziel ist es, künstliche rote Blutkörperchen zu entwickeln, die die rheologischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften menschlicher Erythrozyten nachahmen. Mit ihnen soll in späteren experimentellen Untersuchungen der Blutfluss in verschiedenen Gefäßtypen simuliert und mit verschiedenen Messmethoden (Particle Image Velocimetry, Optical Coherence Tomography, Magnetic Particle Imageing) optisch quantifiziert werden.

Derzeit werden am Institut künstliche Erythrozyten mit Hilfe mikrofluidischer Systeme hergestellt. Als Material wird das Hydrogel Polysodiumacrylat-co-Arylamid (PSAAm) verwendet. Hydrogele eignen sich als Ersatzmaterial, da sie aufgrund ihrer Fähigkeit, große Mengen Wasser zu speichern, die Verformbarkeit physiologischer Erythrozyten sehr gut nachahmen können. Um künstliche Erythrozyten optisch verfolgen zu können, soll versucht werden, sogenannte Markerpartikel in die Hydrogelpartikel zu integrieren. Zunächst sollen Integrationsprotokolle für drei verschiedene Markerpartikeltypen (TiO2, magnetische Nanopartikel, Fluoreszenzfarbstoff enthaltende Liposomen) entwickelt werden. Die erfolgreiche Integration der Marker soll dann experimentell bestätigt werden.  Anschließend erfolgt eine genaue mechanische und rheologische Charakterisierung der Hydrogel-Mikropartikel. Ziel ist es, die künstlichen Erythrozyten mit den integrierten Markerpartikeln für optische Systeme verfolgbar zu machen.

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