Der Einsatz von Mikrowellen zum Erwärmen ist eine bereits bei anderen Gläsern etablierte Methode. Im Unterschied dazu besteht das Gefüge von Quarzglas bei Raumtemperatur aus α-Quarz. Erst bei etwa 700 °C konvertiert dieses α-Quarz zu β-Quarz mit entscheidender Bedeutung für die vorliegende Anwendung. Hier verändert das Quarzglas seine Transmissionseigenschaften, was einen starken Anstieg der Absorption von Mikrowellenstrahlung bedeutet.

Im Projekt wurde deshalb ein Demonstrator entwickelt, der die Möglichkeit eines zweistufigen Prozesses bietet. Der erste Schritt beinhaltet ein autogenes und dabei definiertes Erhitzen der Quarzplatte mit Linien-Gasbrennern. Die autogene Vorwärmung erfolgt mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, um Adsorbate am Quarzglas für dessen spätere Verwendung zu vermeiden. Im zweiten Schritt erfolgt das Aufheizen mittels Mikrowellen bis zur Biegetemperatur. Kernelement für diesen Schritt ist der verwendete Mikrowellengenerator, der ein Magnetron ansteuert. Dieses liefert Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Mikrowellenleistung von bis zu 1250 W.

Um die Mikrowellenleistung an der Oberfläche des Quarzglases auch optimal einkoppeln zu können, erfolgte eine Simulation der Mikrowellenantenne mit der Software Comsol in einer Multiphysik-Simulationsumgebung. Diese Simulation brachte Aussagen zur Intensitäts-verteilung des elektromagnetischen Feldes und letztlich für die Erwärmung der Quarzglasplatte.

Es wurden drei Geometrien von Mikrowellenantennen mit am Antennenaustritt zunehmend steigender Mikrowellenleistung (Faktor 10 für eine Fächerhornantenne) erprobt. Ein weiterer Steigerungsfaktor 10 wird bei Einschnürung der Mikrowellenantenne auf den unmittelbaren Biegebereich erwartet.

Die Temperaturmessung während der autogenen Vorwärmung des Quarzglases erfolgte strahlungspyrometrisch. Das beim Transfer in die Mikrowellenaufheizposition verstreichende Zeitfenster wird dabei genutzt, um die Mikrowellen im Innern der Quarzplatte absorbieren zu lassen.

Die strategische Bedeutung dieses Vorhabens liegt darin, den bisher hauptsächlich im Labor vorkommenden MEW-Prozess so zu optimieren, dass dieser sich zu einem späteren Zeitpunkt durch eine MEW-Anlage in der Industrie etablieren kann. Aus diesem Grund sollte das Labormuster aus Komponenten einer Fused-Deposition-Modeling (FDM)-Anlage abgeleitet werden, um die Verwendung von bereits in der Industrie etablierten Komponenten und Prozessschritten an Stelle von Laborkomponenten zu ermöglichen.

Nach Entwicklung und Umsetzung des Anlagenkonzeptes wurde durch Parameterstudien ein stabiler MEW-Prozess ermöglicht. Die so entstandenen Scaffolds, welche in Auflösung und Größenordnung den Ergebnissen herkömmlicher MEW-Prozesse entsprechen, zeigten in der Validierung ein gutes Zellanwachsverhalten, was die Eignung des entwickelten Labormusters für die Fertigung von Scaffolds für das Tissue Engineering bestätigt.

Mit diesen Methoden sollten geeignete biophysikalische Parameter identifiziert werden, die mit den Ergebnissen aus zeitabhängigen Stabilitätsstudien korreliert werden können. Dieses Pilotprojekt sollte damit ein zukünftiges größeres Projekt vorbereiten, in dem die Auswahl der Formulierungsbestandteile und die Formulierungsentwicklung durch Bestimmung spezifischer Kenngrößen in Verbindung mit bioinformatischen Analysen drastisch beschleunigt und optimiert werden soll.

Zunächst wurden die anzuwendenden biophysikalischen Methoden zur Analyse der konformationellen sowie der kolloidalen Stabilität für zwei therapeutische Antikörper implementiert und die Abhängigkeit der Parameter von der Formulierungsumgebung analysiert. Danach wurden diese Antikörper in selektierten, sehr gut bzw. schlecht stabilisierenden Formulierungen hinsichtlich bestimmter biophysikalischer Parameter untersucht. Parallel wurden traditionelle, zeitabhängige Stabilitätsstudien durchgeführt. Die bioinformatische Analyse von Korrelationen zwischen den Ergebnissen der zeitabhängigen Studien und der biophysikalischen Parameter ergaben relevante und teilweise überraschende Korrelationen, z. B. zwischen Parametern, die die thermodynamische Stabilität beschreiben und SEC-HPLC-Parametern von zeitabhängigen Stabilitätsstudien, deren Vorhersagepotenzial in einem Folgeprojekt weiter evaluiert werden soll.

Eine Herausforderung für die Optikindustrie ist die prozesssichere Herstellung von hochpräzisen, anspruchsvoll zu fertigenden und kundenindividuellen optischen Komponenten. Wesentliches Merkmal für die Qualität von Präzisionsoptiken ist vorrangig die Einhaltung der Toleranzen bezüglich Formabweichung [µm] und Rauheit [nm]. Sogar leichte Schwingungen während der Bearbeitungsprozesse in Optikmaschinen können zu Fehlern auf der Oberfläche optisch wirksamer Bauteile führen.

Zielsetzung des Vorhabens war die Entwicklung einer Mess- und Analyse-Methode, die die Erkennung von Fehlern und Störungen mittels akustischer Sensoren (Mikrofonen) innerhalb von Werkzeugmaschinen und im Verarbeitungsprozess ermöglicht.

Im Rahmen des Projektes wurde ein programmierbares Aufnahmesystem gebaut, das in einem breiten Frequenzband und unter spezifischen Umgebungsbedingungen die Aufnahme von akustischen Signalen erlaubt. Die Versuche wurden an mehreren Fertigungsmaschinen durchgeführt mit dem Ziel, Besonderheiten bei MSFE(mittelfrequente Fehler)-kritischen Frequenzen und in Frequenzbändern, die den Zustand der Maschine anzeigen, festzustellen. Basierend auf den gemachten Aufnahmen wurden die Werte (Frequenz, Amplituden, Korrelationskoeffizienten, Lautstärke) auf Möglichkeiten zur Charakterisierung untersucht.

Es wurden die Grundlagen zum Zugriff auf die akustischen Emissionen einer Optikbearbeitungsmaschine entwickelt. Die Analyse der akustischen Emission mittels Korrelationskoeffizient in bestimmten Frequenzbereichen ermöglicht es, Änderungen zum Maschinenzustand zu beobachten. Bisher konnte die entwickelte Sensorik noch nicht zur Erkennung von Spindeldrehfrequenzen beim Bearbeitungsprozess im Kontakt mit dem Glas, bei dem maßgeblich MSFE entsteht, herangezogen werden. Weitere Untersuchen sollen diesen Einsatzbereich erschließen.

Mit RNAi und CRISPR stehen zwei unterschiedliche Methoden zur Gen-Funktionsanalyse zur Verfügung. Beide Methoden können die Genexpression unterdrücken, wobei RNAi auf Ebene der mRNA wirkt und beim CRISPR-Verfahren die DNA editiert wird. Technisch unterscheiden sich die Ansätze grundsätzlich und liefern oft widersprüchliche Ergebnisse. Ein Ziel des Projekts ist, mit einer vergleichenden Leistungsprüfung die Grenzen der beiden Methoden aufzuzeigen, sinnvolle Kombinationen vorzuschlagen und Nutzern einen Leitfaden zum sinnvollen Einsatz der Verfahren zur Verfügung zu stellen.

In einer Zusammenarbeit zwischen dem Münchner Biotech Unternehmen SiTOOLs Biotech GmbH und Prof Dr. H. Leonhardt (LMU München) wurden siRNAs und CRISPR-Reagenzien an einer Auswahl von Genen systematisch getestet und die Ergebnisse bioinformatisch ausgewertet.

Dazu wurden kultivierte Zellen nach Behandlung mit den Testreagenzien auf einem automatisierten Fluoreszenzmikroskop untersucht. Auf Basis einer multiplexen Analyse mit parallel ausgelesenen Fluoreszenzfarbstoffen konnte durch bioinformatische Auswertung das Ansprechverhalten der Zellen auf die Reagenzien als spezifische Signatur miteinander verglichen werden.

Während siRNAs mit hoher Effizienz beinahe jede Zelle treffen, wird mit CRISPR eine sehr niedrige Penetranz erreicht. Da in gemischten Zellpopulationen spezifische zelluläre Antworten nicht nachweisbar sind, müssen monoklonale Zellen erzeugt werden, die erst nach aufwendiger Selektion und Expansion funktionell untersucht werden können.

Zusammenfassend sind einzeln eingesetzte siRNAs nicht in der Lage, verlässlich spezifische Gene zu deregulieren, um auf deren Funktion zu schließen. Durch die Nutzung komplexer siRNA-Mischungen (siPOOLs) werden off-target-Effekte signifikant reduziert, aber nicht vollständig ausgeschlossen. CRISPR bedarf aufgrund von Adaptation zusätzlicher Kontrollexperimente.

In diesem Projekt wurde das Potenzial des alternativen Kraftstoffs Oxymethylenether (OME) zu Schadstoffemissionen unterhalb des Umgebungsniveaus (Sub-Zero-Emissions) im Nutzfahrzeug-Dieselmotor untersucht. Wegbereiter hierfür ist die rußfreie Verbrennung von OME, die den Zielkonflikt zwischen Ruß- und Stickoxidemissionen herkömmlicher Dieselkraftstoffe auflöst. Damit sind innermotorische Maßnahmen zur Stickoxidreduktion möglich, die in Kombination mit aktuellen Abgasnachbehandlungssystemen zu niedrigstem Schadstoffausstoß führen.

Ziel war es, eine solche Demonstration am Nutzfahrzeugmotor durchzuführen. Neben den über die Gesetzgebung reglementierten Emissionen sollten auch (bisher) nicht reglementierte Schadstoffe untersucht werden. Als Voraussetzung hierfür galt die Entwicklung neuer Analysemethoden. Zudem ist für einen zukünftigen Einsatz von OME als Kraftstoff eine Qualitätssicherung des Kraftstoffs notwendig.

Als Versuchsträger diente ein für das Projekt umgerüsteter, optisch zugänglicher Einzylinderforschungsmotor, mit dem die Verbrennung von OME charakterisiert und alternative Konzepte zur Abgasnachbehandlung untersucht wurden. Außerdem wurde ein Nutzfahrzeugmotor mit modularer Abgasnachbehandlung aufgebaut, um die Betriebsstrategie für OME zu applizieren und damit die Potenziale der rußfreien Verbrennung auszuschöpfen.

Im stationären und transienten Testzyklus wurden im OME-Betrieb die Nachweisgrenzen der Messgeräte erreicht, wodurch die Emissionsniveaus nicht mehr signifikant vom Umgebungsniveau unterschieden werden konnten.

Voraussetzung für den Sub-Zero-Motor ist eine betriebswarme Abgasnachbehandlung. Daher wurden zusätzlich Maßnahmen zur Reduktion der Kaltstartphase durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator in Kombination mit Fuel Dosing untersucht.

In membranbasierten Wasseraufbereitungsanlagen bringen Ablagerungen (sog. Membran-Fouling) enorme Herausforderungen mit sich – dies betrifft Prävention und Reinigung sowie Membranversagen und den darauf resultierenden Anlagenstillstand. Trotz der Jahrzehnte andauernden wissenschaftlichen Bemühungen zur Charakterisierung und Vermeidung von Fouling existierte bisher keine verlässliche Prognosemöglichkeit oder Sensortechnologie zur frühzeitigen Erfassung. Für eine effiziente Vermeidung von Ablagerungen ist diese Grundlage jedoch unerlässlich.

Eine fortschrittliche Prozessgestaltung auf Basis einer frühzeitigen Detektion von Fouling in industriellen Anlagen wurde im Rahmen dieses Projekts mit einem minimalinvasiven Fasersensor ermöglicht. Der Sensor basiert auf einer Polymeroptischen Faser (POF). Gewöhnlich werden solche Fasern für die Datenübertragung verwendet. Im Vergleich zu Glasfasern weisen POF jedoch ein stark vereinfachtes Handling auf. Durch Modifikationen des optischen Mantels werden Wechselwirkungen des Lichtsignals mit den Umgebungsbedingungen hervorgerufen. Vor allem Salzablagerungen können so mit hoher Sensitivität detektiert werden.

Das Potenzial von Membranmodulen mit minimalinvasivem POF-Zugang oder der Einsatz in anderen wässrigen Umgebungen zeigen die Vielfältigkeit der Technologie. So soll die POF zukünftig auch als Sensorelement zur Messung von pH-Wert, Salzgehalt und gelösten Gasen verwendet werden.

Ziel des Projekts war eine ganzheitliche Multiskalen-Untersuchung der Effekte der radiativen Hyperthermie durch die Kombination von experimentellen, biologisch/immunologisch-medizinischen und verfahrenstechnischen Methoden im Labormaßstab und theoretischen Berechnungen (Simulationen) auf verschiedenen Prozessebenen. Daraus sollten sich gezielte Behandlungsstrategien und Verbesserungen für die radiative Hyperthermie (HT) ableiten lassen.

Dazu wurden Tumorzellen unterschiedlichen Ursprungs (Maus/Mensch) in einem selbst entwickelten Zirkulationssystem behandelt, das sowohl Warmwasser- (CH) als auch Mikrowellenhyperthermie (MH) erlaubt. Neben dem Einfluss der Zieltemperatur und der Behandlungszeit wurde auch der additive Effekt der Strahlentherapie (RHT) in einem zeitabhängigen Setting berücksichtigt. Analysiert wurden u. a. die Zelltod- und Zellzyklusformen, immunmodulatorische Gefahrensignale und die Expression von Immun-Checkpoint-Molekülen (ICM). 

Es hat sich gezeigt, dass die additive Hyperthermie eine wirksame Methode zur Inaktivierung von Tumorzellen und zur Modulation des Immunsystems darstellt. Dabei ist es jedoch wichtig, sowohl die Tumorentität als auch die jeweilige Erwärmungsmethode zu berücksichtigen. So konnte z. B. für MH eine frequenz- und zelllinienabhängige Schwellentemperatur um 41 – 44 °C identifiziert werden, die es bei CH nicht gab. Darüber hinaus kam es zu einer dynamischen Expression von ICM, insbesondere bei RHT. Die Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass MH eine lokale Erwärmung verschiedener Zellkomponenten wie z. B. der Zellmembran verursacht.

Auslöser für diese Phänomene ist die intrinsische Neigung von Proteinmolekülen zur Wechselwirkung miteinander. Diese Selbstinteraktion (SI) wird wesentlich durch die Molekülstruktur und die Formulierung beeinflusst.

Ziel des Projekts Self-I-E war es, allgemeingültige Zusammenhänge zwischen Eigenschaften der Antikörpermoleküle wie Primärstruktur, bestimmte Sequenzmotive und die Neigung zu SI zu identifizieren sowie Wege zur Verringerung der SI mittels gezielter Modifikation der Antikörpersequenzen aufzuzeigen. Hierzu wurde die SI ausgewählter Modellmoleküle mit bereits etablierten oder — basierend auf Bio-Layer-Interferometrie und Wasserstoff-Deuterium-Austausch — im Projekt neu entwickelten komplementären Methoden analysiert und mit Computermodellierung ergänzt. Als Ursache der beobachteten SI konnten dabei hydrophobe Sequenzmotive in den Antigen-bindenden Regionen der Antikörper identifiziert werden. Durch rationale Mutagenese und das Einbringen geladener Aminosäurereste in räumliche Nähe zu den hydrophoben Bereichen gelang es, die SI und die Viskosität zu reduzieren, ohne die Antigenbindung zu beeinträchtigen.

Die Ergebnisse von Self-I-E zeigen Wege auf, um die Selbstinteraktionstendenz von Wirkstoffkandidaten bereits früh in der Forschung zu analysieren und zu verbessern und so die Entwicklungschancen zu erhöhen.

Ziel des Forschungsprojekts Link⁴Pro war die Entwicklung eines Konzepts zur flexiblen Nachvernetzung von Anlagen auf Basis einer modularen Plattform, um die Erfassung, Aggregation und Auswertung von Produktionsdaten zu erleichtern und somit nachhaltig zur Digitalisierung von KMU beizutragen.

Durch sensorische Aufrüstung und explorative Untersuchungen an ausgewählten Prozessketten der Anwendungspartner wurden erste Handlungsempfehlungen und Anforderungen an ein System zur flexiblen Nachvernetzung abgeleitet. Daran ausgerichtet wurde von den Entwicklungspartnern ein modularer Sensorknoten konzipiert, demonstratorisch umgesetzt und gemeinsam mit den Anwendern in Feldversuchen getestet.

Das Edge-Device kann analoge Strom- oder Spannungssignale verschiedener Sensoren (u. a. Beschleunigungssensoren, Stromwandler), digitale Signale oder die Netzspannung hochauflösend messen, um beispielsweise Prozess- oder Energiekennzahlen zu berechnen. Der Edge-Computer erlaubt die Implementierung von einfachen Berechnungsroutinen bis hin zur Anwendung von KI-Modellen direkt an der Anlage. Die generierten KPIs (Kennzahlen) werden drahtlos an eine Middleware-Plattform gesendet, wo sie weiterverarbeitet oder visualisiert werden können. Zusätzlich können auch konkrete Handlungsanweisungen an Smartwatches von Mitarbeitern übermittelt werden.

Neben dem entwickelten Lösungskonzept wurde eine systematische Vorgehensweise zur Umsetzung von datengetriebenen Projekten in der Produktion ausgearbeitet, die KMU bei der Implementierung neuer digitaler Anwendungen unterstützen wird.