Universität Stuttgart
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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 UV-advanced oxidation process without additives in liquid phase : process characterization and validation(2020) Toro Santamaria, Jorge Mario; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Human activities are gradually generating a strong impact on the environment and the quality of natural water resources. Traces of hazardous substances are detected not only in wastewater but also already in natural water bodies (surface and ground water) around the globe. The source of these trace substances is broad, starting with chemicals from industrial production like polycyclic aromatic hydrocarbons, pesticides, food ingredients, pharmaceuticals, to components of personal care, just to mention examples. Because of their constantly growing presence in water resources, and the fact that some of those are seriously affecting natural biological processes, there is an increasing need for finding ways to impede those substances to reach water bodies. The European community has adopted the water pollution problematic as one of their main concerns. As a result, on the 23 October 2000, the Directive 2000/60/EC of the European Commission was adopted. The main purpose of the directive is the protection of European natural water resources by enhancing the status of the water bodies as well as preventing further contamination. In particular, the requirement of complying with European environmental quality standards (EQS) for priority substances (PD) became compulsory. In order to meet these requirements and directives, industry and the scientific community working in the fields of water treatment, do approach new treatment processes with the purpose of upgrading current treatment plants to destruct or reduce trace substances. One alternative are the so called Advanced Oxidation Processes (AOPs), which are able to treat persistent and hardly biodegradable pollutants by oxidation processes. Between the varieties of potential AOPs the photo-induced advanced oxidation, centred on photolysis of water by radiation below 200 nm has received special attention. The key feature of the photo induced AOP is the facts of the efficient production of hydroxyl radicals as the highest possible oxidant and the singularity of no need for aux-iliary oxidants like hydrogen peroxide, ozone, peroxydisulfate or peroxymonosulfate, needed in other AOPs. One of the most important steps to bring the photo induced AOP to be used in the real field, is to prove that the process can be operated under efficient conditions, controlling the generation of hydroxyl radicals and utilizing them efficiently for the goal of treatment. An important action to push the technology to the path of product development is therefore, the integration of efficient UV sources to a photo reactor, taking into account the peculiarities of the process. Overall, the research presented in this thesis focuses on the characterization of the photoreaction zone, the light penetration and absorption process as well as the hydroxyl radical generation and provides the understanding and database to enable different approaches for the engineering of photo induced AOP. Concretely, this thesis is structured in five parts. Part I includes the literature search and its analysis; different calculations and simulations were performed with the aim of describing the heterogeneity of the reaction zone, the theoretical penetration of radiation in water and understanding the theoretical spatial generation of hydroxyl radicals. Part II includes the reactor characterization. The photo induced AOP was first tested following the degradation of Methylene Blue (MB). Subsequently it was studied the impact of the channel dimen-sions in the oxidation process under different operational parameters and the characterization of the photo reactor in terms of radiation intensity using three different methods. Part III includes the process characterization where the investigations were focused on the penetration of radiation into water and the generation of hydroxyl radicals by means of two methodologies: the transmission measurements in thin water films and the degradation of methanol as reference substance. Part IV includes the tailor made reactor validation. In this part, the focus was directed to verify the numeric models and gain data enabling the design, construction and validation of a reactor system using flat lamps. Validation of the photo induced AOP was performed by means of degradation of the pharmaceuticals Sulfaquinoxaline (SQX) and Carbamazepin (CBZ), as well as the degradation of an organic substance coming from the chemical industry Bisphenol A (BPA) and a food ingredient Caffeine (CAF). During the validation phase the concentration of the substances, the Total Organic Carbon (TOC) and the cytotoxicity using VERO and COS cell lines for each experiments were followed. Part V summarizes the results. In general, it was found that the process shows attractive potential and advantages in comparison with other oxidation technologies. For example: the steady and local production of hydroxyl radical without the addition of supplementary oxidation agents; the not strong selectivity and the capacity of mineralization of the process; the pH independency of the oxidation process; the fact that cytotoxicity of the byproducts does not overpass the initial toxicity of the tested substances and the Dose requirements for oxidation is comparable with existing process without using any additive.Item Open Access Investigations and technical development of adsorption thermal energy storage systems with simulation and different control strategies(2021) Abou Elfadil, Mazen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Thermal energy storage (TES) has been receiving an increasing worldwide attention, especially with the growing concerns about environmental problems caused by an inefficient utilization of energy. A major part of the energy consumption is considered as low temperature thermal energy. Thus, a better management of this energy by using thermal energy storage could provide a significant contribution to improve the overall efficiency of energy utilization in industrial processes and economies. The thermal energy can be stored in different forms e.g. sensible heat, latent heat or thermo-chemical, allowing variety of choices depending on the application. While the sensible and latent heat storage technologies are standard products, the thermo-chemical energy storage is still under development. Based on the method used, thermo-chemical energy storage can be divided into absorptive and adsorptive thermal energy storage systems. The adsorptive thermal energy storage systems have a great potential in both daily (short term) and seasonal (long term) applications. However, their implementation is still limited due to their low degree of applicability caused by lack of scientific knowledge on the thermal analysis level, as well as the absence of knowledge on the level of system integration, which has prevented the heat storage systems from reaching their maximum potential and from being fully commercialized. Consequently, there is still a big necessity for research and development in this field [Salvatore Vasta, 2018]. The principle of the adsorption storage system is based on a gaseous working fluid (e.g. water resp. vapor) which gets adsorbed by a highly porous material (e.g. zeolite). This adsorption process is an exothermal one, thus heat is being released and can be transferred and used. In order to recharge the heat storage system, desorption of the working fluid is done by heating the porous material. The heat storage system consists mainly of a reactor (where the porous material is located), a condenser/evaporator and other auxiliary components (e.g. water tank, pumps, sensors…). Efforts of development of the adsorptive TES were concentrated mainly on developing the adsorptive material, as the performance of the storage material has been the priority so far [Salvatore Vasta, 2018]. Little focus was put on heat power analysis and temperature behavior in the different system components, which have an impact on the overall system efficiency. Thus, system approach is still needed in order to combine and integrate this technology into industrial applications and products [Hauer, Andreas 2020] [Michelangelo Di Palo 2020]. With the aim of improving the heat storage efficiency (recovered heat to stored heat ratio), both numerical (simulations) and experimental (technical modifications) approaches were applied, which have enabled the system to achieve an optimal operational status in terms of energy utilization and efficiency. These approaches were later on used to define a fully automated control system assisting the adsorption TES to instantly react with the continuously varying parameters in such a way to assure an optimal performance. Hence, in the first stage of this investigation, process-modeling and simulation of the whole heat storage system were carried out, so that the total performance of the heat storage system can be predicted and evaluated for any future applications, including the possibility of combining different reactors or heat storage units. In the second stage, different experiments and technical modifications of the system were conducted. This includes testing various possibilities of TES setups (e.g. storage cascades), where the different pressure and temperature behavior in the reactor were evaluated. With the help of experiments, a detailed numerical 3D-model of the packed bed was created, giving an insight into the heat and mass transfer in the reactor during both adsorption and desorption. As a result, a new heat exchanger design was developed, which has improved the temperature distribution and the heating/cooling power. Additionally, the simulation’s results suggested the separation between the evaporator and the condenser to achieve an enhanced water vapor transfer between the reactor and condenser. On a parallel stage of this investigation, comprehensive heat power analysis during both adsorption and desorption processes was carried out, which has showed that the sensible heat left in the reactor, contributes to ca. 50% of the total stored heat. Consequently, multiple reactor concept was introduced, in order to enable the sensible heat recovery. As a conclusion, process simulation enabled tests with different parameters to be performed within much shorter time than the real experimental time. Thus, it was possible to cover numerous application-scenarios and help improving the system overall efficiency. The experimental results have shown that the developed heat exchanger design has increased the maximum power of the heat exchanger about 74%. Moreover, by improving the fluid dynamics between the reactor and condenser, the efficiency of desorption ηd and overall efficiency ηo were increased by 32% and 9% respectively. Furthermore, about 36% of the sensible heat left in the reactor after desorption was recovered by using multiple reactors with sequential configuration, which has led to a reduction in the total invested heat by ca. 9%. For future work it’s recommended to investigate the possibility of controlling the amount of discharged heat from the system by regulating the water uptake during adsorption. In addition, trying a different approach to the reactor’s design (e.g. moving bed reactor) could bring significant improvements to the system.Item Open Access Strömungsdynamik und Stofftransport in einem Strahl-Kolonnenflotationsapparat zur Abtrennung oberflächenaktiver Substanzen aus wässrigen Stoffströmen(2020) Ziegler, Eike Eric; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Strahl-Kolonnenflotationsapparates, der zur Reinigung und Konditionierung von Prozesswasser eingesetzt wird. Um den Einfluss der Strömungsdynamik auf den Stofftransport von oberflächenaktiven Substanzen (OAS) an die Phasengrenzfläche besser zu verstehen, wurden einzelne Bereiche des Apparates bezüglich der funktionalen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Betriebsparametern näher untersucht. In einem ersten Schritt wurde die Strömungsdynamik in einem exemplarischen FSA mit Finite-Pointset-Method (FPM), einem punktbasierten Strömungssimulations-CFD-Programm, simuliert, um die Ausbreitung des Treibstrahles in der Mischkammer und dort auftretende lokale Strömungszonen zu visualisieren. Basierend auf den Simulationsergebnisse wurden fünf Treibdüsengeometrien gefertigt und für die Untersuchung der Blasenströmung im Flotationsbehälter hinzugezogen. Diese Treibdüsen wurden in ein handelsübliches Strahlapparatgehäuse eingesetzt, um zusätzlich zur Treibdüsengeometrie den Einfluss des Treibdruckes und von koaleszenzverändernden Substanzen auf die erzeugte Blasenströmung zu untersuchen. Durch Variation der Konzentration von sieben unterschiedlichen Salzen mit charakteristischen Ionenkombinationen und Fokus auf Natriumchlorid, wurde das Koaleszenzverhalten der Blasenströmung in einem Konzentrationsbereich zwischen 0 und 30 g/l unter Messung von Blasengröße und Gasanteil erfasst. Durch Definition einer Blasenaufstiegsfunktion, die den funktionalen Zusammenhang zwischen mittlerer Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und Sauterdurchmesser in der Blasenströmung beschreibt, kann für die einzelnen Betriebszustände die Flussdichte der Phasengrenzfläche Sb approximiert werden, die als Schlüsselparameter zur Bestimmung der Flotationsrate gilt.Aufgrund der Inhibierung von Koaleszenz in der Blasenströmung fällt für kosmotrophe Salze die Blasengröße mit steigender Salzkonzentration entlang einer Exponential-Funktion. Hierdurch steigt der Gasanteil in dem Flotationsbehälter entlang einer Sigmoid-Funktion an und die Flussdichte der Phasengrenzfläche nimmt zu. Mit Sodium-Dodecyl-Sulfat (SDS) als oberflächenaktiver Modellsubstanz wurde dessen Abreicherung anhand von Batch-Versuchen unter Variation der Gasleerrohrgeschwindigkeit, der SDS-Konzentration und der NaCl-Konzentration mit einem hierfür entwickelten Gasanteilsensor messtechnisch erfasst. Aus den Messdaten wurde die Konzentrationsabnahme in Abhängigkeit der Flotationszeit berechnet und in Bezug zur Flussdichte der Phasengrenzfläche gesetzt. Die Ergebnisse wurden zur Erstellung eines Berechnungsprogramms genutzt, welches den Stofftransport an die Phasengrenzfläche durch eine flächenbezogene Anlagerungsfunktion berechnet. Diese ist entweder in ein Differentialgleichungssystem eingebettet oder wird in einer Berechnungsschleife mit thermodynamisch begründeter Adsorptionsisotherme genutzt. Damit kann der Einfluss von Gasleerrohrgeschwindigkeit und Flussdichte der Phasengrenzfläche auf die Flotation gezeigt und der Bezug zu der Abreicherung von OAS und den hierbei auftretenden Stofftransport hergestellt werden.Item Open Access Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.Item Open Access Improving optical measurements, online monitoring, growth modeling, and automated control in microalgae production of Phaeodactylum tricornutum(2024) Yeh, Yen-Cheng; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)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.