Universität Stuttgart
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Item Open Access Tunable, permanent and instantly available super-wettability states on metal surfaces by laser texturing and plasma coating(2025) Holder, Daniel; Reichle, Paul; Umlauf, Georg; Weber, Rudolf; Barz, Jakob; Graf, ThomasWettability, the ability of a liquid to spread on or repel from a surface, holds particular significance for applications requiring extreme control of liquid interaction, including self-cleaning, anti-icing, dropwise condensation, anti-fogging, and enhanced fluid transport. This work investigates the synergistic combination of laser surface texturing and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to achieve tunable, permanent, and instantly available super-wettability states on metal surfaces. Ultrashort laser pulses were employed to produce various surface textures, ranging from fine nanoscale ripples to rougher microtextures such as microgrooves, spikes, and holes, on stainless steel AISI 304, copper, and the titanium alloy Ti64. PECVD coatings, including thin layers of glass and polymers, were subsequently applied to these textures to modulate surface chemistry and achieve the desired wettability.The results demonstrate that superhydrophilic surfaces with a water contact angle θ < 10° were achieved by combining rough textures with thin glass coatings, offering long-term stability that could be simply renewed via ultrasonic cleaning. Conversely, superhydrophobic surfaces with a water contact angle θ > 150° were instantly obtained using polymer coatings on rough textures. These functionalized surfaces also exhibited exceptional liquid repellence for complex liquids, such as milk and beer, making them particularly suitable for special applications using solutions or emulsions. The integration of laser texturing and PECVD coating provides a versatile and simple pathway for fabricating functional surfaces with tunable wettability and long-term performance across multiple metals and fluids.Item Open Access Investigation of methacryloyl‐modified gelatin‐based hydrogels for inkjet‐printed biosensors and their adherence to polyethylene terephthalate and oriented polypropylene substrates(2026) Trust, Caroline M.; Lehmann, Regina M.; Schmidt, Sarah; Singer, Verena; Baum, Dominic; McBeth, Christine; Weber, AchimThe COVID‐19 pandemic has highlighted the need for rapid, simple, and cost‐effective point‐of‐care testing (POCT) methods for pathogen detection. Hydrogel‐based biosensing has emerged as an increasingly popular approach, offering advantages such as reagent storage and multiplexing capabilities. In this study, we have functionalized different polymer substrates to ensure an adequate adherence of methacryloyl‐modified gelatin‐based hydrogel spots that function as biosensors. Different hydrogel formulations were tested for their suitability in a point‐of‐care testchip. Our findings demonstrate the good adherence properties of amino‐functionalized and subsequent methacrylated polymer materials, specifically polyethylene terephthalate (PET) and oriented polypropylene (OPP), when used as substrates for hydrogel biosensors. Moreover, we successfully identified an optimal formulation for the hydrogel ink, consisting of amino‐functionalized methacryloyl‐modified gelatin with a biopolymer content of 3.5% (w/w) and a photoinitiator content of 0.0875%. This formulation not only enables printing with a piezoelectric 2D printer but also exhibits excellent hydrogel stability and adherence to the functionalized substrates. These results contribute to the development of reliable and efficient POCT methods for pathogen detection, addressing the limitations of current diagnostic capabilities. The study emphasizes inkjet‐based functionalization, with comprehensive characterization of printability including viscosity, surface tension, and density, and provides expanded methodological details to ensure reproducibility. Practical application : This study demonstrates the successful functionalization of PET and OPP polymers as substrates for point‐of‐care test chips, paving the way for advanced diagnostic solutions. By amino‐functionalization and methacryloylation of the surfaces, covalent bonding with biosensors was achieved, ensuring stability and adherence. A methacryloyl‐modified gelatin‐based hydrogel ink, optimized for piezoelectric printing, was identified for biosensor fabrication. The selected ink minimizes fluorophore quenching, preserving biosensor sensitivity. Among the tested materials, OPP showed superior adherence due to its non‐polar characteristics. These findings enable the creation of multiplexed test chips capable of detecting multiple pathogens simultaneously, addressing a crucial gap in rapid and reliable diagnostics. Although the hydrogel‐based biosensors have not yet been tested with encapsulated LAMP, this integration marks the next step toward fully functional point‐of‐care testing. Ultimately, this research advances the development of robust diagnostic platforms, with applications in healthcare settings for timely pathogen identification and disease management.Item Open Access CHEMampere : technologies for sustainable chemical production with renewable electricity and CO2, N2, O2, and H2O(2022) Klemm, Elias; Lobo, Carlos M. S.; Löwe, Armin; Schallhart, Verena; Renninger, Stephan; Waltersmann, Lara; Costa, Rémi; Schulz, Andreas; Dietrich, Ralph‐Uwe; Möltner, Lukas; Meynen, Vera; Sauer, Alexander; Friedrich, K. AndreasThe chemical industry must become carbon neutral by 2050, meaning that process‐, energy‐, and product‐related CO2 emissions from fossil sources are completely suppressed. This goal can only be reached by using renewable energy, secondary raw materials, or CO2 as a carbon source. The latter can be done indirectly through the bioeconomy or directly by utilizing CO2 from air or biogenic sources (integrated biorefinery). Until 2030, CO2 waste from fossil‐based processes can be utilized to curb fossil CO2 emissions and reach the turning point of global fossil CO2 emissions. A technology mix consisting of recycling technologies, white biotechnology, and carbon capture and utilization (CCU) technologies is needed to achieve the goal of carbon neutrality. In this context, CHEMampere contributes to the goal of carbon neutrality with electricity‐based CCU technologies producing green chemicals from CO2, N2, O2, and H2O in a decentralized manner. This is an alternative to the e‐Refinery concept, which needs huge capacities of water electrolysis for a centralized CO2 conversion with green hydrogen, whose demand is expected to rise dramatically due to the decarbonization of the energy sector, which would cause a conflict of use between chemistry and energy. Here, CHEMampere's core reactor technologies, that is, electrolyzers, plasma reactors, and ohmic resistance heating of catalysts, are described, and their technical maturity is evaluated for the CHEMampere platform chemicals NH3, NOx, O3, H2O2, H2, CO, and CxHyOz products such as formic acid or methanol. Downstream processing of these chemicals is also addressed by CHEMampere, but it is not discussed here.Item Open Access Ökobilanz für die Bioprozessoptimierung : Herstellung des Biotensids MEL(2024) Bippus, Lars; Briem, Ann-Kathrin; Beck, Alexander; Zibek, Susanne; Albrecht, StefanThis study evaluates the environmental impacts of producing mannosylerythritol lipids (MELs) using life cycle assessment (LCA) and kinetic models. MELs are microbial biosurfactants with various applications produced from biobased sources. The LCA results indicate that substrate provision, bioreactor aeration and solvent use for purification are major environmental impact sources. The findings highlight areas for improving the environmental sustainability of the production processes.Item Open Access Comprehensive characterization and evaluation of the process chain and products from Euphausia superba exocuticles to chitosan(2023) Hahn, Thomas; Egger, Jeannine; Krake, Simon; Dyballa, Michael; Stegbauer, Linus; Seggern, Nils von; Bruheim, Inge; Zibek, SusanneAntarctic krill (Euphausia superba) is a source for compounds of high nutritive value. Within that process of extraction, exocuticles (shells) accumulate which are currently disposed. A valorization of the compounds of the exocuticle such as chitosan would be beneficial to avoid waste and to obtain a versatile polymer at the same time. In contrast to previous investigations focusing on chitosan production from whole krill, we applied and optimized process stages of the chitosan production from the exocuticles, performing a comprehensive analytical evaluation of the whole process, the side streams and the products for the first time. Degreasing was the first step resulting in a krill oil yield of 6.2% using ethanol. The fatty acid profile exhibited high contents of phospholipids (21.2%). Citric acid offered a demineralization efficiency of 93%. Deproteinization investigation revealed 2 M NaOH and 90°C for 2.5 h to be the best parameters, resulting in a deproteinization efficiency of 99.9% and a chitin content of 92.8%. The spectroscopic investigation indicated that the chitin has a crystallinity index of 76% and an acetylation degree of 88%. The deacetylation degrees of the resulting chitosans is determined to be 74%-88%, the molecular weight ranges from 102 to 126 kDa.Item Open Access Modellierung und Diagnostik einer Remote-Mikrowellen-Plasmaquelle zum Hochrateätzen(2024) Pauly, Steffen; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)Bei der Herstellung von Mikrosystem-Strukturen werden Fotolacke eingesetzt, um über lithografische Verfahren Oberflächenstrukturen im Sub-Mikrometerbereich herzustellen. Der Fotolack wird als dünne Schicht auf ein Substrat aufgebracht und durch eine Maske, welche die zu erhaltende Struktur enthält, über UV-Licht ausgehärtet. Dabei dient der strukturierte und ausgehärtete Lack als Schutz für die darunterliegenden Schichten oder als formgebende Struktur der unbedeckten Bereiche. Diese Bereiche können über Ätzprozesse abgetragen oder durch galvanische Abscheidung mit einer Metallschicht überzogen werden. Im Anschluss muss der ausgehärtete Fotolack wieder entfernt werden. Das Problem dabei ist, dass dieser ein hochstabiles vernetztes Material darstellt, was nur äußerst schwer wieder entfernt werden kann, ohne dass dabei die aufgebrachten Metallstrukturen oder die geschützten darunterliegenden Schichten beschädigt werden. Die Entfernung des ausgehärteten Lacks geschieht heutzutage über Trockenätzverfahren. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der simulativen und experimentellen Untersuchung einer im Niederdruck arbeitende Remote Mikrowellen Plasmaquelle (RMPS) der Firma Muegge GmbH, die beim trockenchemischen Hochrateätzen von Fotolacken Anwendung findet. Dazu werden Mikrowellensimulationen durchgeführt, die die Feldverteilung in der Plasmakammer bei Zündbedingungen zeigen, welche über Mikrowellenfeldversuche verifiziert werden konnten. Mit dem Drude-Modell werden vereinfachte Plasmasimulationen durchgeführt, die den Einfluss der Elektronendichte auf das Mikrowellenfeld veranschaulichen. Der visuelle Vergleich der Drude-Modell-Simulationen mit Fotografien des Plasmas verdeutlicht auch hier eine gute Übereinstimmung. Die Erweiterung der Simulation mit dem Fluid-Modell berücksichtigt Teilchenbewegungen und Reaktionen im Plasma. Die Ergebnisse zeigen den zeitlichen Verlauf der Elektronendichte in der RMPS, welche über dreidimensionale Langmuir-Sondenmessungen quantitativ validiert werden konnten.Item Open Access Life cycle assessment for early-stage process optimization of microbial biosurfactant production using kinetic models : a case study on mannosylerythritol lipids (MEL)(2024) Bippus, Lars; Briem, Ann-Kathrin; Beck, Alexander; Zibek, Susanne; Albrecht, StefanIntroduction: This study assesses the environmental impacts of mannosylerythritol lipids (MELs) production for process optimization using life cycle assessment (LCA). MELs are glycolipid-type microbial biosurfactants with many possible applications based on their surface-active properties. They are generally produced by fungi from the family of Ustilaginaceae via fermentation in aerated bioreactors. The aim of our work is to accompany the development of biotechnological products at an early stage to enable environmentally sustainable process optimization. Methods: This is done by identifying hotspots and potentials for improvement based on a reliable quantification of the environmental impacts. The production processes of MELs are evaluated in a cradle-to-gate approach using the Environmental Footprint (EF) 3.1 impact assessment method. The LCA model is based on upscaled experimental data for the fermentation and purification, assuming the production at a 10 m³ scale. In the case analyzed, MELs are produced from rapeseed oil and glucose, and purified by separation, solvent extraction, and chromatography. Results: The results of the LCA show that the provision of substrates is a major source of environmental impacts and accounts for 20% of the impacts on Climate Change and more than 70% in the categories Acidification and Eutrophication. Moreover, 33% of the impacts on Climate Change is caused by the energy requirements for aeration of the bioreactor, while purification accounts for 42% of the impacts respectively. For the purification, solvents are identified as the main contributors in most impact categories. Discussion: The results illustrate the potentials for process optimization to reduce the environmental impacts of substrate requirements, enhanced bioreactor aeration, and efficient solvent use in downstream processing. By a scenario analysis, considering both experimental adaptations and prospective variations of the process, the laboratory development can be supported with further findings and hence efficiently optimized towards environmental sustainability. Moreover, the presentation of kinetic LCA results over the fermentation duration shows a novel way of calculating and visualizing results that corresponds to the way of thinking of process engineers using established environmental indicators and a detailed system analysis. Altogether, this LCA study supports and demonstrates the potential for further improvements towards more environmentally friendly produced surfactants.Item Open Access Improving determination of pigment contents in microalgae suspension with absorption spectroscopy : light scattering effect and Bouguer-Lambert-Beer law(2023) Yeh, Yen-Cheng; Ebbing, Tobias; Frick, Konstantin; Schmid-Staiger, Ulrike; Haasdonk, Bernard; Tovar, Günter E. M.The Bouguer-Lambert-Beer (BLB) law serves as the fundamental basis for the spectrophotometric determination of pigment content in microalgae. Although it has been observed that the applicability of the BLB law is compromised by the light scattering effect in microalgae suspensions, in-depth research concerning the relationship between the light scattering effect and the accuracy of spectrophotometric pigment determination remains scarce. We hypothesized that (1) the precision of spectrophotometric pigment content determination using the BLB law would diminish with increasing nonlinearity of absorbance, and (2) employing the modified version of the BLB (mBLB) law would yield superior performance. To assess our hypotheses, we cultivated Phaeodactylum tricornutum under varying illumination conditions and nitrogen supplies in controlled indoor experiments, resulting in suspensions with diverse pigment contents. Subsequently, P. tricornutum samples were diluted into subsamples, and spectral measurements were conducted using different combinations of biomass concentrations and path lengths. This was carried out to assess the applicability of the BLB law and the nonlinearity of absorbance. The chlorophyll a and fucoxanthin contents in the samples were analyzed via high-performance liquid chromatography (HPLC) and subsequently used in our modeling. Our findings confirm our hypotheses, showing that the modified BLB law outperforms the original BLB law in terms of the normalized root mean square error (NRMSE): 6.3% for chlorophyll a and 5.8% for fucoxanthin, compared to 8.5% and 7.9%, respectively.Item Open Access Volatile lubricants injected through laser drilled micro holes enable efficiently hydrocarbon-free lubrication for deep drawing processes(2023) Reichle, Paul; Reichardt, Gerd; Henn, Manuel; Umlauf, Georg; Barz, Jakob; Riedmüller, Kim Rouven; Liewald, Mathias; Tovar, Günter E. M.In order to reduce the use of classic lubricants such as synthetic or mineral oils, emulsions or waxes in the deep drawing process, a new tribological system based on volatile lubricants was investigated. In this system, a volatile medium is injected under high pressure through laser drilled micro holes directly into the contact zone between the tool and the sheet metal and serves as a temporary lubricant. In order to investigate this tribological system under realistic conditions, strip drawing experiments with different volatile lubricants (air, nitrogen, carbon dioxide and argon) were performed on galvanized sheets. Therefore, a new generation of strip drawing tools was designed and numerically calculated for low elastic deformations to ensure a uniform contact pressure distribution over the entire friction contact area. To obtain a homogeneous distribution of the volatile lubricants, a number of micro holes with a depth of several millimeters were drilled into the hardened strip drawing jaws using ultrashort pulsed laser radiation. Taking into account the capabilities of this laser drilling technique in terms of size and shape of the micro holes, computational fluid dynamics simulations were performed to predict the flow behavior of the lubricant within the micro hole as well as the contact zone and were compared with observable effects in outflow tests. The chemical composition of the acting tribological layers was characterized by means of X-ray photoelectron spectroscopy and their changes during the deep drawing process were correlated with the lubricants used as well as the measured wear and friction values.Item Open Access Entwicklung eines Verfahrens für die automatisierte Vereinzelung von Zellen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Graeve, Mario N.; Bailer, Susanne M. (Prof. Dr. sc. nat.)Die Zellvereinzelung ist ein essenzieller Bestandteil der Einzelzellanalyse und der Entwicklung monoklonaler Zelllinien. Die Prozesse finden vielseitige Anwendung in der biologischen Grundlagenforschung, medizinischen Diagnostik, personalisierten Therapie und industriellen Produktion von Biowirkstoffen. Das zunehmende Interesse an Einzelzellen führte in den vergangenen Jahren zur Entwicklung neuer Technologien und Verfahren für ihre Vereinzelung. Jedoch besteht weiterhin Bedarf an innovativen Systemen für die Verbesserung der Effizienz und Automatisierbarkeit der Einzelzellgewinnung. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) hat mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser eine neue Technologie für die automatisierte und effiziente Zellvereinzelung im Hochdurchsatz entwickelt. Das Verfahren beruht auf der hochfrequenten Isolation und Analyse fluoreszierender Suspensionszellen durch das kontaktlose Dispensieren in Mikrotiterplatten. In diesem Promotionsprojekt wurden zunächst die grundlegenden Prozessparameter des OSCAR Single-Cell Dispensers mit fluoreszierenden Beads optimiert. Die Fluoreszenzintensität der Beads war dabei homogen, photostabil und ausreichend hoch, sodass sie vom OSCAR Single-Cell Dispenser detektiert werden konnten. Die Dosierenergie wirkte sich auf die Geometrie und die Geschwindigkeit der dispensierten Tropfen aus und führte zu Unterschieden bei der Signalerkennung und der Vereinzelungseffizienz. Bei reduzierter Beadkonzentration war die Vereinzelungseffizienz verbessert, wobei die Prozesszeit für die Zellvereinzelung in Mikrotiterplatten anstieg. Mit 1 x 103 Beads/ml wurde eine maximale Vereinzelungseffizienz von 96.9 % bei einer Prozesszeit von 75.7 s für 96 Wells erzielt. Das verwendete Modellsystem war die am Fraunhofer IPA entwickelte CHO K1 0S-Suspensionszelllinie. Die Zelllinie stammt von Ovarzellen des chinesischen Hamsters ab, dem am häufigsten verwendeten Zellsystem für die industrielle Produktion von Biowirkstoffen. Mit dieser Arbeit wurde gezeigt, dass diese Zellen einen für Suspensionskulturen charakteristischen Wachstumsverlauf aufweisen und ohne Subkultivierung bis zu sechs Tage mit einer Verdopplungszeit von 22 h kultiviert werden können. Das Proliferationsverhalten der Zellen, die Viabilität und der Metabolismus der untersuchten Substanzen Glukose, Laktat, Glutamin und Glutamat waren über einen Kultivierungszeitraum von zehn Wochen nach der Überführung aus der Kryokonservierung näherungsweise konstant, was auf ein robustes Kultursystem schließen ließ. Zusätzlich wurde das Wachstumsverhalten der Zellen in Mikrotiterplatten untersucht, die ein essenzielles Kultivierungsformat für die Zellvereinzelung darstellen. Anders als in Schüttelkolben wiesen Zellen in Mikrotiterplatten ein reduziertes Zellwachstum um bis zu 79.0 % auf. Dies konnte sowohl auf das Plattenformat als auch auf die Absenz von Schüttelprozessen zurückgeführt werden. Die Zellvereinzelung mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser erforderte die vorherige Fluoreszenzmarkierung der Zellen. Von drei getesteten Lebendzellfarbstoffen erwies sich CellTracker-Green aufgrund der vergleichsweise hohen Fluoreszenzintensität und Proliferationsrate der Zellen als am geeignetsten. Die Fluoreszenzintensität der gefärbten Zellen blieb auch bei wiederholter Exposition über einen Zeitverlauf von 5 min konstant. Höhere Farbstoffkonzentrationen resultierten in stärker fluoreszierenden Zellen, einhergehend mit reduziertem Zellwachstum und erhöhter Apoptoseaktivität. In Kombination mit dem Dispensierprozess des OSCAR Single-Cell Dispensers wurde durch die Fluoreszenzfärbung mit einer Farbstoffonzentration von 2.5 µM ein reduziertes Zellwachstum von bis zu 57.6 % im Vergleich zu ungefärbten und pipettierten Zellen beobachtet. Nach den Untersuchungen zur Fluoreszenzmarkierung der Zellen wurde die Vereinzelungseffizienz des OSCAR Single-Cell Dispensers für das Zellmodell optimiert. Die Vereinzelungseffizienz war dabei von der Konzentration des Fluoreszenzfarbstoffs und des Fluoreszenzschwellenwerts abhängig. Zusätzliche Waschschritte nach der Fluoreszenzfärbung der Zellen führten zu keiner verbesserten Vereinzelungseffizienz. Die Vereinzelungseffizienz des OSCAR Single-Cell Dispensers war in allen Abschnitten der Mikrotiterplatte konstant, was zeigt, dass die Zellen während des gesamten Vereinzelungsprozesses homogen verteilt waren. Nach der Zellvereinzelung mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser konnte die klonale Expansion von Einzelzellen im Kulturverlauf von sieben Tagen beobachtet werden. Das in dieser Promotionsarbeit entwickelte Verfahren für die Berechnung der Anwachsrate mit Hilfe des mathematischen Modells der Triangle threshold-Methode ermöglichte eine präzisere Klassifizierung der expandierten Klone, zusätzlich zur Zellzahl pro Well. Der ermittelte Grenzwert für die Berechnung der Anwachsrate von CHO K1 0S-Zellen sieben Tage nach der Vereinzelung mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser betrug 15 Zellen pro Well. Die Zugabe von BSA oder FBS zum Kulturmedium nach der Zellvereinzelung resultierte in ähnlichem oder reduziertem Zellwachstum im Vergleich zur Kontrolle. Lediglich bei Zugabe von konditioniertem Medium war die Anwachsrate von 17.8 % auf bis zu 65.2 % sowie die Zellzahl von 26 Zellen auf bis zu 53 Zellen pro Well angestiegen. Abschließend wurde die Prozesseffizienz des OSCAR Single-Cell Dispensers mit den Standardverfahren der Zellvereinzelung verglichen. Durch die Optimierung technischer und prozessrelevanter Parameter wurde mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser eine Zellvereinzelungseffizienz von bis zu 89.9 % erreicht. Diese war signifikant höher als die der Durchflusszytometrie (62.9 %) und der Limiting Dilution (32.3 %). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Entwicklung monoklonaler Zelllinien aus vereinzelten Zellen möglich ist. Dabei resultierte die klonale Expansion der Einzelzellen unter Standardkultivierungsbedingungen nach der Zellvereinzelung mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser in einer Anwachsrate von 12.4 % im Vergleich zu 17.1 % bei der Durchflusszytometrie und 10.1 % bei der Limiting Dilution. Die Ergebnisse dieser Promotionsarbeit haben gezeigt, dass mit dem OSCAR Single-Cell Dispenser eine effiziente Vereinzelung von CHO K1 0S-Zellen erreicht werden kann. Am Beispiel dieses Modellsystems können Einzelzellen im Hochdurchsatz für Einzelzellanalysen und für die effiziente Entwicklung monoklonaler Zelllinien gewonnen werden. Die maximal erreichte Vereinzelungseffizienz war dabei höher als bei der Durchflusszytometrie und der Limiting Dilution, den Standardverfahren der Zellvereinzelung. Der OSCAR Single-Cell Dispenser stellt somit eine ergänzende Zellvereinzelungstechnologie für die Grundlagenforschung, die Theranostik und für die industrielle Produktion von Biowirkstoffen dar.