Universität Stuttgart

Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1

Browse

Filters

2016 - 201923

Settings

Publication Type: search.filters.UBSTyp.DissertationInstitute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und PlasmatechnologieStart date: 2016End date: 2019

Search Results

Now showing 1 - 10 of 23
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PE-CVD) von Multifunktionsschichten aus dem Precursorensystem Hexamethyldisiloxan/Sauerstoff
    (2016) Baier, Maximilian Paul; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
    Inhalt der Arbeit ist die Erzeugung von Siliziumoxidschichten mit variablem Kohlenstoffgehalt auf verschiedenen Kunststoff-Substraten. In Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt weisen die Schichten unterschiedliche Eigenschaften auf. Hergestellt wurden sie mit plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition PE-CVD). Dabei wurden als Substrate Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC) und high density polyethylen (HDPE), letzteres in zwei unterschiedlichen Formen, verwendet. Die drei Materialien wurden in Form von Folien beschichtet. Darüber hinaus wurden HDPE-Kanister mit einem Volumen von 20 L (innen) beschichtet. Für die beiden unterschiedlichen Substratformen wurden Plasmareaktoren entwickelt und dabei vor allem die Führung der Prozessgase beachtet. Darüber hinaus wurde eine Simulation der Gasströme in verschiedenen Reaktorkonfigurationen durchgeführt und eine wirbelfreie Gasführung entwickelt. Der Reaktor zur Beschichtung der HDPE-Kanister ist zweigeteilt in den Kanisterinnenraum und die Umgebung des Kanisters. Die Innenseite sollte beschichtet werden, die Außenseite nicht. Dafür wurden dort zwei separierbare Gasführungen angelegt. Dadurch kann ein Druckgradient (in der Arbeit wurde außen ein höherer Druck erzeugt als innen) zwischen der Umgebung des Kanisters und dem Kanisterinneren aufgebaut werden. Wegen der bei geringerem Druck niedrigeren benötigten Zündspannung kann so das Plasma auf das Innere des Kanisters beschränkt werden. Auf den Substraten wurden folgende Schichteigenschaften untersucht und variiert: Barrierewirkung gegen die Permeation von Sauerstoff und Wasserdampf, die Oberflächenenergie und die Haftung der Schichten auf den unterschiedlichen Substraten. Die Barrierewirkung wurde mit elektrolytischen Messverfahren und dem Kalziumtest untersucht. Dabei konnten mit SiO2-Schichten auf PET-Folien Permeationsraten von 2*10-2 g/(m² d) erreicht werden. Im Kanisterreaktor konnte keine Schicht mit Barrierewirkung hergestellt werden. Die Permeationsraten waren stark abhängig von der Dicke der Barriereschichten und der Dichte der Schichtdefekte. Funktionierende Barriereschichten auf den HDPE-Kanistern ließen sich auf Grund zu hoher Defektdichten nicht herstellen. Die Bildung der Defekte, im wesentlichen Partikel, konnte durch Modifikation der Gaszufuhr, des Drucks, der Elektrodenflächen und durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden während des Plasmaprozesses deutlich reduziert werden. So konnten, abhängig von diesen Einstellungen, im Plasma z. T. sehr dicke Staubfilme (~0,1 mm) oder Schichten mit weniger als 50 Partikeln pro mm² erzeugt werden. Trotzdem war die Defektdichte in den Schichten auf der Innenseite der Kanister einige Größenordnungen höher als in den Schichten auf Folie. Einerseits war in dem Reaktor die Verweildauer der Teilchen höher als im Flachreaktor, so dass sich größere Partikel bilden konnten, andererseits konnte, genau wie im Flachreaktor, nicht die ganze Reaktorwand vor der Abscheidung dieser Partikel geschützt werden. Für die Einstellung der Oberflächenenergie wurden SiOxCy-Schichten hergestellt, die abhängig vom Sauerstoffgehalt im Precursorengas-Gemisch und der ins Plasma eingekoppelten Leistung hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufwiesen. Die Haftung der Schichten wurde direkt mit dem Gitterschnitttest und indirekt durch Messung der inneren Verspannung bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die starren SiO2-Schichten stark verspannt waren und im Gitterschnitttest auf PET vollständig versagten (Gitterschnittkennwert 5). Auf den anderen Substraten konnten Gitterschnittkennwerte von 2 erreicht werden. Die Haftung der SiO2-Schichten konnte durch das Abscheiden einer Pufferschicht vor der Abscheidung der SiO2-Schicht verbessert werden.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Entwicklung von Verfahren zur enzymatischen Epoxidierung von Pflanzenölen und Fettsäurederivaten
    (2018) Haitz, Fabian; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
    Pflanzliche Öle werden in der chemischen Industrie häufig funktionalisiert, um in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt werden zu können. Eine interessante Funktionalisierung stellt die Epoxidierung der in verschiedenen Fettsäuren enthaltenen C=C-Doppelbindung dar. Die so erzeugten Pflanzenöl-basierten Epoxide können beispielsweise als Weichmacher in Kunststoffen, als Monomerbausteine zur Herstellung von Polymeren oder als Intermediate zur Herstellung von Schmierstoffen verwendet werden. Zur Epoxidierung von Pflanzenölen und daraus gewinnbaren Fettsäurederivaten können Enzyme eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden insgesamt 18 verschiedene freie Lipasen hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Persäurebildung untersucht und die damit verbundene Epoxidierung am Beispiel von Ölsäure für neun ausgewählte Lipasen gezeigt. Dabei wurden fünf neue CalB-ähnliche Lipasen aus verschiedenen Pseudozyma sp. identifiziert und auf Aminosäureebene mit der Lipase B aus Pseudozyma antarctica (CalB) verglichen. Die Epoxidierung verschiedener Pflanzenöle und Pflanzenöl-basierter Derivate wurde unter Verwendung einer immobilisierten Lipase optimiert. Die Optimierung der enzymatischen Epoxidierung zweier nicht im Lebensmittelbereich eingesetzter Pflanzenöle, Drachenkopf- und Senföl, erfolgte mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung. Als Einflussgrößen wurden die Enzym- und Lösemittelmenge, die Inkubationszeit und die Reaktionstemperatur variiert. Durch die Auswahl dieser beiden hinsichtlich ihrer Fettsäurezusammensetzung sehr unterschiedlichen Pflanzenöle konnte eine Prozessoptimierung unter Berücksichtigung der Substratcharakteristika erfolgen. Dabei wurden für beide Öle Epoxidausbeuten von über 90 % erzielt. Die in dieser Arbeit für zwei verschiedene Pflanzenöle optimierten Reaktionsparameter konnten erfolgreich auf die Umsetzung von 15 verschiedenen Pflanzenölen übertragen werden. Für alle Öle wurden Epoxidausbeuten von 70 bis über 95 % erreicht. Die unterschiedlichen enzymatisch hergestellten Pflanzenölepoxide wurden umfangreich hinsichtlich der Viskosität sowie des Schmelz- und Kristallisationsverhaltens charakterisiert. Dabei wurden die Ergebnisse erstmals in Bezug auf die Fettsäurezusammensetzung der Substrate diskutiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit erfolgreich die Epoxidierung verschiedener Fettsäurederivate gezeigt. Dabei wurden Fettsäuremethylester, verschiedene freie Fettsäuren, 9-Octadecen-1,18-dicarbonsäure und 9-Octadecen mit hohen Epoxidausbeuten umgesetzt. Die Skalierbarkeit der chemo-enzymatischen Epoxidierung wurde in dieser Arbeit erfolgreich am Beispiel der Umsetzung von Drachenkopföl bis in den 10 L-Maßstab gezeigt. Als geeignetes Maßstabsübertragungskriterium wurde der konstante volumenspezifische Leistungseintrag identifiziert. Im Zuge der Maßstabsübertragung wurde außerdem der Einfluss verschiedener Prozessparameter, wie des Lösemittel- und Dispersphasenanteils sowie der Rührerdrehzahl auf die im Reaktor erzielte Tropfengrößenverteilung beschrieben. Zur in-situ-Messung der Tropfengrößenverteilung wurde ein 3D-ORM-System eingesetzt. Die sich bei spezifischen Prozessbedingungen einstellende charakteristische Tropfengrößenverteilung wurde in Form des sogenannten Sauterdurchmessers d32 dargestellt und anschließend in Zusammenhang mit den jeweils erzielten Epoxidierungsraten diskutiert.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Wetting, de-icing and anti-icing behavior of microstructured and plasma-coated polyurethane films
    (2019) Grimmer, Philipp E. S.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
    Ice build-up on surfaces, for example on wings of airplanes or on rotor blades of wind turbines, impairs the functionality of transportation vehicles or technical systems and reduces their safety. Therefore, functional anti-ice surfaces are being researched and developed, which shall enable an easy removal or reduce the amount of ice on the surfaces at risk. The starting hypothesis for this work is that superhydrophobic polyurethane (PU) films with microstructure base diameters of 35 µm or more reduce the wetting by water, show a low ice adhesion for easy removal of ice and reduce or delay icing. Superhydrophobic PU films for passive anti- and de-icing were created by hot embossing and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The hot embossing process as well as the plasma coating and etching processes were analyzed for the dependence of the surface characteristics on different process parameters. The functionalized PU films were characterized for their surface topography, surface chemistry, stability against erosion, wettability, ice adhesion and icing behavior. For comparison, the ice adhesion and icing behavior were examined on relevant technical materials (aluminum, titanium, copper, glass, epoxy resin of carbon fiber reinforced polymer and other fluoropolymers) and on some commercial anti-ice coatings. The PU films were chemically analyzed by IR spectroscopy. As the first process step for functionalization, microstructures of cylindrical, elliptical or linear shape were imprinted in PU films by a hot embossing technique with different ns-pulsed laser-drilled stamps and characterized by several microscopy methods. The microstructures had heights of 15 µm to 140 µm, diameters or widths of 35 µm to 300 µm and distances (pitch values) of 50 µm to 500 µm. The embossing process was analyzed and optimized in terms of the process parameters temperature, pressure, time, PU film release temperature and reproducibility of the microstructures. In a second functionalization step (PECVD) the microstructured surfaces were coated with thin, hydrophobic plasma polymers using different fluorocarbon precursors (CHF3, C3F6 and C4F8) or hexamethyldisiloxane (HMDSO). Different process parameters for plasma coating and etching (Ar or O2 plasmas) were used in order to create various nanoscale roughness values. Electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA), spectroscopic ellipsometry and atomic force microscopy (AFM) were used for analysis of the chemical composition, the thickness and the nanoroughness of the plasma polymers. The functionalizations, especially the plasma coatings, were completely worn off by a UV/water weathering test (1000 h, X1a CAM 180 Test, SAE J-2527), but showed sufficient stability against sand erosion (DIN 52348), in a long-term outdoor test for 13.5 months and against fivefold repeated pull-off of ice. The silicone-like plasma coatings were more stable than the fluorocarbon plasma coatings. The wetting behavior of water was determined by static, advancing and receding contact angle measurements. Static contact angle measurements with diiodomethane (DIM) were made for determination of the surface free energies of the relevant surfaces. Advancing contact angles of over 150° and very low contact angle hysteresis values below 10° were reached on some of the cylindrically and elliptically structured PU samples with microstructure base diameters in the range of 35 µm to 50 µm. The measured water advancing contact angles did not reach the theoretical values of the Cassie-Baxter state. Starting from a mixed wetting state near Cassie-Baxter in case of the superhydrophobic PU surfaces, they approached the Wenzel state with an increasing pitch/diameter (P/d) factor. Fluorescence laser scanning microscopy images were taken of some microstructured, uncoated or plasma coated samples during the wetting by a water drop containing a fluorescent dye. These images show the Wenzel state or a mixed wetting state by visualization of the interface between the water droplet and the surface. A new icing test chamber and a test setup were developed for characterization of the ice adhesion and the icing behavior. The tensile ice adhesion was measured at -20 °C by pull-off of ice cylinders (highly purified water, (<0.056 µS/cm, diameter of 4 mm, similar to the diameter of large raindrops) and compared to the theoretical values and the wetting behavior. The technical material surfaces measured for comparison showed a high ice adhesion, which led to cohesive fractures especially on the metal surfaces, whereas some of the commercial anti-ice coatings showed lower ice adhesion values. The flat, plasma coated PU surfaces showed adhesive fractures with a reduced ice adhesion compared to the technical material surfaces and uncoated PU and revealed a good correlation of the ice adhesion with the wetting behavior of water (work of adhesion). On the other hand, the microstructured PU surfaces showed a greatly increased ice adhesion in comparison to the flat PU and technical material surfaces which was enhanced even further by the plasma coatings and did not correlate with the wetting behavior. The reason for this is the wetting transition from the Cassie-Baxter to the Wenzel state during the cooling or freezing process, leading to an increased ice-surface contact area and mechanical interlocking of the ice with the micro- and nanostructures. The freezing of water drops was examined in thermodynamic equilibrium (static experiment) and under quasi-steady conditions (dynamic experiment). In the static experiment, 15 µl water drops (corresponding to medium to large raindrops) at room temperature were dispensed onto a cold surface at a constant temperature of -20 °C. The freezing delay times, the crystallization times and the total freezing times were measured and compared to calculated expected values. On the flat samples, the freezing delay times could be extended by the plasma treatments. On the microstructured samples, the freezing (nucleation) could sometimes be delayed even further, but not always reproducible because of an unstable Cassie-Baxter state. In the dynamic experiment, 25 µl water drops (corresponding to large raindrops) were cooled down in quasi-steady conditions with the surface and the surrounding atmosphere by a constant, low cooling rate of 1 K/min while the water drop temperature was measured by an IR camera for determination of the surface-specific nucleation temperature and crystallization time. A lower nucleation temperature could be measured on the flat, plasma coated PU surfaces compared to uncoated PU and the hydrophilic glass and metal surfaces. The superhydrophobic PU surfaces did not show a further reduction of the nucleation temperature because of an unstable Cassie-Baxter state. The resulting measured nucleation temperatures were compared to the expected values calculated with an enhanced nucleation theory including a quasi-liquid interfacial layer of the ice nucleus and a Poisson process. Overall, it is shown that hot embossing and PECVD are useful processes for creating superhydrophobic PU surfaces with regard to a roll-to-roll process. The flat, plasma coated PU films show a reduced ice adhesion and lowered nucleation temperature compared to the relevant technical material surfaces. The microstructured, plasma coated PU films are far more water repellent than the flat, plasma coated PU surfaces or the other technical materials. However, the microstructures with base diameters of 35 µm or more and the nanoroughness of the plasma coatings cannot stabilize the Cassie-Baxter state of a freezing water drop enough for a low ice adhesion or a significant decrease of the nucleation temperature. These superhydrophobic PU films are therefore not more icephobic than the flat, plasma coated PU films. In the outlook, the reduction of the geometrical parameters of the microstructures (diameter D, distance P) and nanostructures (curvature radius R) of the surface functionalizations for lower ice adhesion values and nucleation temperatures is proposed.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Diagnostik und Modellierung eines Mikrowellen-Plasmabrenners bei Atmosphärendruck
    (2017) Gaiser, Sandra; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
    Mikrowellen-Plasmaprozesse bei Atmosphärendruck bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören das Plasmaspritzen zur Beschichtung, die Behandlung von Oberflächen für die Reinigung oder Aktivierung sowie der Abbau schädlicher Abgase. Für die Entwicklung und Optimierung dieser Verfahren sind sowohl experimentelle Untersuchungen als auch eine theoretische Betrachtung von Bedeutung. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb neben der Diagnostik vor allem mit der Modellierung und numerischen Simulation eines bei Atmosphärendruck betriebenen Mikrowellen-Plasmabrenners. Dazu wird die Simulationssoftware Comsol Multiphysics verwendet. Das Ziel ist es, mittels einzelner Modelle die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge zu beschreiben und das Brennersystem zu optimieren. Die Simulationen werden schließlich schrittweise miteinander verknüpft, um so ein möglichst selbstkonsistentes Modell der Plasmaquelle zu erhalten. Die Simulationsergebnisse werden zudem mit experimentellen Daten verglichen. Zunächst werden die Verteilung des Mikrowellenfeldes im Plasmabrenner sowie die Resonanzfrequenzen der Resonatoranordnung berechnet, was die Grundlage für eine zuverlässige Zündung und den Betrieb des Plasmas bildet. Anschließend wird ein Modell der kalten Gasströmung erstellt. In dieses wird schließlich eine Wärmequelle implementiert, um den Einfluss des heißen Plasmas auf die Strömung zu untersuchen. Die Gasströmung soll dahingehend optimiert werden, dass sie das Plasma einschließt, um so eine Beschädigung des Gas führenden Quarzrohres zu vermeiden. In einer weiteren Simulation wird das Plasma mit Hilfe des Drude-Modells beschrieben. Hierbei werden dem Plasma eine Permittivität und eine Leitfähigkeit zugewiesen. Eine Erweiterung erfolgt durch das Fluid-Modell, das Bilanzgleichungen für die Elektronendichte sowie Reaktionsmechanismen für ein Argon-Plasma enthält. Die Simulationsergebnisse werden durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen verifiziert. Dazu wird zum einen die räumliche Lage des Plasmas mit Hilfe von Kameraaufnahmen qualitativ untersucht. Zum anderen stehen Messwerte aus der optischen Emissionsspektroskopie zur Verfügung.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Verfahrenstechnische Untersuchung des Ethanol-Wasser-Organosolvaufschlusses von Lignocellulose in einer integrierten Pilotanlage
    (2019) Verges, Marlen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
    Die Fraktionierung von Lignocellulose in die Hauptbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin stellt eine wesentliche Vorrausetzung für eine vollständige und hochwertige stoffliche Nutzung als nachwachsender Chemierohstoff dar. Der Ethanol-Wasser-Organosolvprozess wurde bereits von verschiedenen Gruppen im Labormaßstab untersucht und optimiert. Eine erste kommerzielle Umsetzung scheiterte, ohne das wesentliche technische Daten und Hindernisse bekannt geworden sind. Auf dem weiteren Weg zur technischen Realisierung des Verfahrens ist es zweckmäßig, zunächst eine Übertragung in den Pilotmaßstab durchzuführen. In diesem können skalierbare Aggregate sowie industrielle Partikelgrößen und Flottenverhältnisse eingesetzt werden. Zudem lassen sich wesentliche Folgeprozesse, die maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sind, mit abbilden. Damit können die verfahrenstechnischen und ökonomischen Risiken bei einer großtechnischen Umsetzung verringert werden. Zusätzlich können Produkte unter industrienahen Prozessbedingungen bereitgestellt und analysiert werden. Die vorliegende Arbeit behandelt den Ethanol-Wasser-Organosolvaufschluss von Buchenholz im Pilotmaßstab. Es werden Prozessmodelle für die Delignifizierung und Hemicellulosesolubilisierung entwickelt, die den Einfluss der Aufschlussparameter Temperatur, Zeit und Einsatzmenge von Schwefelsäure als homogenen Katalysator berücksichtigen. Die Modelle ermöglichen die Vorhersage, Optimierung und Überwachung des Prozesses und können als Grundlage für eine Übertragung in den großtechnischen Maßstab dienen. Weiterhin erfolgt die Quantifizierung und Charakterisierung der Produkte in Abhängigkeit der Aufschlussparameter. Die Produkteigenschaften sind essenziell für die Entwicklung von Anwendungen und eines Marktes, der Voraussetzung für eine Kommerzialisierung des Verfahrens ist. Weiterhin wird die Organosolv-Fraktionierung weiterer Rohstoffe (Fichte, Eukalyptus, Weizenstroh und Miscanthus) erstmalig im 400 L Pilotmaßstab umgesetzt. Der Vergleich der Ergebnisse ermöglicht rohstoffspezifische Empfehlungen. Zum Abschluss erfolgt die Bilanzierung aller Stoffströme eines Aufschlusses von Buchenholz unter optimierten Bedingungen sowie der Folgeprozesse. Dabei werden wichtige Aspekte identifiziert, die für eine wirtschaftliche Betriebsführung entscheidend sind.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Hochrateabscheidung von Siliziumoxid- und Zinkoxidschichten mittels Mikrowellenplasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung auf Polycarbonat
    (2016) Merli, Csaba-Stefan; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)
    Polycarbonat (PC) gehört heute zu den am häufigsten eingesetzten Kunststoffen. Für Anwendungen im Außenbereich muss die Oberfläche jedoch vor dem photochemischen Abbau und Zerkratzung geschützt werden, was heute durch nasschemische Lackierungen geschieht. Durch den Einsatz von plasmatechnologischen Beschichtungsprozessen soll jedoch eine energie- und ressourcenschonendere Alternative zu den Lackierverfahren bereitgestellt sowie verbesserte Schichteigenschaften ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Mikrowellenplasmaverfahren zur Abscheidung von transparenten UV- und Kratzschutzschichten auf PC untersucht. Die jeweiligen Schutzfunktionen werden dabei von auf Zinkoxid (ZnO) bzw. Siliziumoxid (SiOx) basierenden Schichten übernommen. Es sollten möglichst hohe Abscheideraten erzielt werden, um konkurrenzfähig mit den gängigen Lackierverfahren zu sein. Die Abscheidung wurde zunächst für beide Schichttypen einzeln untersucht. Bei den SiOx-Kratzschutzschichten konnten sehr hohe Abscheideraten von bis zu 90 µm/min erreicht werden. Die Schichten wiesen eine hohe Transparenz und Klarheit sowie eine gute Haftung auf dem PC auf. Bei optimalen Abscheideparametern übertrifft der Abriebwiderstand den der heutigen Standardlacke. Für die ZnO-Schichten konnten Abscheideraten von bis zu 700 nm/min erreicht werden. Neben einer hohen Transparenz im sichtbaren Bereich hatten die Schichten, abhängig von den Abscheideparametern, eine hohe Absorption im UV-Bereich. Anschließend wurden die beiden Schutzfunktionen in einem Mehrschichtaufbau zusammengeführt. Das Schichtsystem hatte eine gute Haftung, eine hohe Transparenz und Klarheit sowie einen hohen Abriebwiderstand. In Bewitterungstests konnte eine, im Vergleich zum Lack, verbesserte Schutzfunktion gegenüber dem photochemischen Abbau gezeigt werden. Es wurden zudem erste Versuche zur Aufskalierung des Verfahrens auf industrieübliche Bechichtungsflächen von 0,5 m² durchgeführt.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Optimization of cell-free protein synthesis by proteomics and metabolic engineering of Escherichia coli A19
    (2019) Foshag, Daniel; Rupp, Steffen (apl. Prof. Dr.)
    Cell-free protein synthesis (CFPS) has emerged as a standard protein production system over the last two decades. Due to its open nature and various methods of directly influencing protein expression, it has replaced or complemented in vivo expression systems, especially for the expression of toxins, membrane proteins and other difficult-to-express proteins. Despite the widespread use of CFPS, the main component of the system, an extract derived from the centrifugation of a bacterial lysate (S30 extract), still has not been defined thoroughly. S30 extract preparation often causes changes in protein composition, altering the original proteome of exponentially growing Escherichia coli (E. coli). To optimize CFPS in a rational manner, S30 extracts from the E. coli K12-derivative A19 were analyzed using a GeLC-MS approach. The S30 core proteome, consisting of 821 proteins detected in several replicates, was functionally integrated and categorized using GO terms, revealing the presence of complete pathways that can be explored for energy regeneration or precursor generation. To evaluate the effects of alternative growth conditions, S30 extracts derived from cells grown at SOS response-inducing conditions were analyzed by quantitative GeLC-MS using isotope-coded protein labeling (ICPL). These modified S30-S extracts contained 3-10-fold increased folding factors and were shown to improve the solubility and folding of difficult proteins. Therefore, the manipulation of the S30 extract proteome by modifying the cultivation conditions is an effective approach for the expression of challenging proteins. A second approach to improve CFPS productivity was the engineering of specific metabolic pathways through genetic modifications. Using the previously generated proteome as a guideline, 13 genes coding for various enzymes affecting protein, amino acid and mRNA stability were either tagged or knocked out in E. coli strains A19 and D10. After verifying the modifications by PCR and sequencing, the viability and fitness of the strains were examined. Additionally, the transcriptional profile of a heavily modified strain was compared with the original A19 strain, revealing highly coregulated transcriptome in response to the genetic modification. The amino acid concentrations of 19 amino acids were traced during a CFPS reaction, demonstrating that amino acids can be stabilized by genetic modifications. The engineered strains showed an increase in yield for some target proteins, highlighting the relevance of metabolic engineering when optimizing CFPS. Finally, one of the metabolically engineered strains was used as an extract source and combined with purified chaperones (DsbC, Skp and FkpA) to produce different antibody fragments. DsbC was the most important chaperone for Fab folding, whereas Skp and FkpA were beneficial to produce scFab.