Research - Kunststoffe als Wärmemanager für Hightechprodukte Plastics as Heat Managers for High-Tech Products - TU Graz
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Forschungsjournal der TU Graz
WISSEN n TECHNIK n LEIDENSCHAFT
research
2017-1 | Nr. 17
Kunststoffe als Wärmemanager für Hightechprodukte
Plastics as Heat Managers for High-Tech Products
Modellierung der Mikrostruktur von Aluminium-Legierungen ■ Neue biologische Ansätze für die Syn-
thesechemie ■ Demand Forecasting ■ Warum man in der Großmotorenforschung weiter Gas gibt ■
SPECIAL ISSUE: Low-Cost-Ofen mit niedrigsten Emissionen
FoE & COMET
Modelling the Microstructure of an Aluminum Alloy ■ Novel Biological Approaches in Synthesis
COOPERATIONS
Chemistry ■ Demand Forecasting ■ Why Large Engines Research Steps on the Gas ■ Low-Cost Stove
with Lowest Emissions
1
Inhalt /Contents
3 Vorwort / Preface
On the Top
4 Kunststoffe als Wärmemanager für
4
Hightechprodukte
© Lunghammer – TU Graz
Plastics as Heat Managers for
High-Tech Products
Fields of Expertise 14 Human & Biotechnology 22 Mobility & Production
Bernd Nidetzky Helmut Eichlseder
WISSENSCHAFTERINNEN UND WISSEN-
SCHAFTER PRÄSENTIEREN AUSGEWÄHLTE
PROJEKTE UND FORSCHUNGSBEREICHE IM
15 Neue biologische Ansätze 23 Warum man in der Großmotoren-
RAHMEN DER FÜNF FIELDS OF EXPERTISE für die Synthesechemie forschung weiter Gas gibt
(FoE) Novel Biological Approaches Why Large Engines Research
SCIENTISTS PRESENT SELECTED PROJECTS in Synthesis Chemistry Steps on the Gas
AND RESEARCH AREAS IN THE FRAMEWORK Andreas Wimmer
Martina Geier
OF THE FIVE FIELDS OF EXPERTISE (FoE)
18 Information, 26 Sustainable Systems
Communication & Computing Urs Leonhard Hirschberg
10 Advanced Materials Science Kay Uwe Römer
Christof Sommitsch
19 Demand Forecasting 27 Low-Cost-Ofen mit niedrigsten
Emissionen
11 Modellierung der Mikrostruktur Demand Forecasting Low-Cost Stove with Lowest
Roman Kern
von Aluminium-Legierungen Emissions
Modelling the Microstructure of Robert Scharler,
an Aluminum Alloy Christoph Hochenauer
Romain Bureau
Life Cooperations Internationalisation
FORSCHUNG UND TECHNIK IM GEMEINSAM FORSCHEN UND ENTWICKELN – EXZELLENTE FORSCHUNG STREBT NACH
ALLTÄGLICHEN – WIE FORSCHUNGS- WIE SPEZIALISIERTE INTERDISZIPLINÄRE LEBENDIGEM AUSTAUSCH IN GLOBALEN
ERGEBNISSE AUF UNSER LEBEN ZUSAMMENARBEIT IN ERFOLG UND NETZWERKEN – WIE DIE TU GRAZ DEN INTER
WIRKEN UND ES VERBESSERN KÖNNEN WEITERENTWICKLUNG RESULTIERT NATIONALEN FORSCHUNGSDIALOG LEBT
RESEARCH AND TECHNOLOGY IN CONDUCTING RESEARCH AND DEVELOPMENT EXCELLENT RESEARCH ASPIRES TO A LIVELY
EVERYDAY LIFE: HOW RESULTS OF TOGETHER: HOW INTERDISCIPLINARY EXCHANGE IN THE GLOBAL NETWORK: GRAZ
RESEARCH AFFECT OUR LIVES AND COOPERATION BETWEEN EXPERTS LEADS TO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND INTER
CAN IMPROVE THEM SUCCESS AND FURTHER DEVELOPMENT NATIONAL RESEARCH DIALOGUE
30 Auf dem rechten Weg bleiben 33 Pro2Future – Produkte und Pro- 36 Druckfrische Medikamente aus
Staying on the Right Path duktionssysteme mit Köpfchen der Apotheke
Pro2Future – Products and Pro- Inkjet Pharmacy: On-demand
duction systems of the future Drugs from the Printer
Impressum/Imprint: Eigentümerin: TU Graz. Herausgeber: Vizerektor für Forschung. Chefredaktion: Birgit Baustädter, Kommunikation und Marketing, Rechbauerstraße 12/I, 8010 Graz. E-Mail: TU-research@tugraz.at Gestaltung/
2 Layout: Christina Fraueneder, Satz: Polycoon, Grafik- u. Kommunikationsdesign, Graz. Druck: Medienfabrik Graz. Auflage: 5.400 Stück. Wir danken den Autorinnen und Autoren für die Bereitstellung der Texte und Fotos. Geringfügige Änderungen
sind der Redaktion vorbehalten. Titelbild: © Lunghammer – TU Graz. TU Graz research erscheint zweimal jährlich. © Verlag der Technischen Universität Graz 2016, www.ub.tugraz.at/Verlag. ISSN 2074-9643. www.tugraz.at/research-journal
Horst Bischof
Vizerektor für Forschung
Vice Rector for Research
Liebe Kolleginnen und Kollegen, sehr geehrte Forschungspartnerinnen und -partner
und an unserer Forschung Interessierte!
Dear colleagues, research partners and those interested in our research,
Da unser letztes „Special Issue“ zu Gender-und-Diversity-Themen Since our last “special issue” on gender and diversity was so well
so gut aufgenommen wurde und ich viel positives Feedback er- received and elicited such positive feedback, we immediately
halten habe, haben wir gleich eine neue Schwerpunktausgabe planned a new special issue.
geplant. COMET centres are a very important part of research at TU Graz.
COMET-Zentren sind ein sehr wichtiger Bestandteil der For- As you probably know, TU Graz has more shareholdings in these
schung an der TU Graz. Die TU Graz ist, wie Sie wahrscheinlich research centres, which are funded by Austrian Research Promo
wissen, in Österreich jene Universität mit den meisten Beteiligun- tion Agency, than any other Austrian university. Just recently a new
gen an diesen Forschungszentren, die von der Forschungsförde- research centre called Pro²Future was opened: you can read all
rungsgesellschaft FFG gefördert werden. Erst kürzlich wurde mit about the area of research it is dedicated to on page 33 in this is
Pro²Future ein neues COMET-Zentrum eröffnet – welchem Thema sue of TU Graz research. The centres in which TU Graz has share
es sich genau widmet, lesen Sie ab Seite 33 in dieser Ausgabe holdings employ a total of more than 1,100 persons and have an
des TU Graz research. Die Zentren, an denen die TU Graz betei- annual turnover of more than 100m euros. In the COMET centres
ligt ist, beschäftigen in Summe mehr als 1.100 Personen und ha- research is undertaken with the participation of industry, and from
ben einen Jahresumsatz von mehr als 100 Mio. Euro. In den the point of view of TU Graz this has shown itself to be very efficient
COMET-Zentren wird gemeinsam mit der Industrie Forschung with respect to technology transfer.
betrieben, weshalb sie für die TU Graz eine sehr effiziente Mög- Right from the beginning, TU Graz adopted an offensive strategy
lichkeit des Technologietransfers darstellen. in carrying out the COMET programme (in those days known as
Die TU Graz betrieb schon von Beginn an das COMET-Programm “K-centre”). For TU Graz, but especially for the science and busi
offensiv (damals noch als „K Plus“ bezeichnet). Für die TU Graz, ness location Styria, the research centres are immensely impor
vor allem aber für den Wissenschaft- und Wirtschaftsstandort tant and make a crucial contribution to the research quota of 4.9
Steiermark sind die Forschungszentren von immenser Bedeu- per cent. This special issue of TU Graz research is meant to show
tung und tragen entscheidend zur Forschungsquote von 4,9 Pro- the relation between the COMET competence centres and our re
zent bei. Diese Spezialausgabe des TU Graz research soll die search focuses – the Fields of Expertise – as well as the ensuing
Verbindung zwischen den COMET-Kompetenzzentren und unse- successful joint research. Since COMET centres are independent
ren Forschungsschwerpunkten – den Fields of Expertise – und limited companies (GmbHs), close coordination of the research
die erfolgreiche, gemeinsame Forschung aufzeigen. Da COMET- activities at TU Graz is important. Ideally, the Fields of Expertise
Zentren aber eigenständige GmbHs sind, ist eine enge Abstim- and the COMET centres develop a combined view of a topic and
mung mit den Forschungsaktivitäten an der TU Graz wichtig. Ide- act in coordinated way – the basic research topics and doctoral
alerweise entwickeln die Fields of Expertise und die COMET-Zen- theses at TU Graz together with the applied research topics at the
tren eine gemeinsame Sicht auf ein Thema und agieren abge- centres. Additionally, joint applications are made to the EU and
stimmt – wobei die Grundlagenthemen und Dissertationen an der other types of projects.
TU Graz und die angewandten Themen am Zentrum behandelt This special issue is meant to showcase the fruitfulness of joint
werden. Zusätzlich bewirbt man sich gemeinschaftlich an EU- research. You will find a number of outstanding examples of coop
und anderen Projekten. erative research projects in this issue. And I hope reading about
Diese Spezialausgabe soll aufzeigen, wie befruchtend die ge- them will provide inspiration for other areas. The prevailing idea of
meinsame Forschung sein kann. Sie werden einige herausragen- cooperation in Styria is that together, more can be achieved.
de Beispiele an kooperativen Forschungsprojekten finden. Möge The summer and the vacation are just about to begin. This issue
die Lektüre auch als Inspiration für andere Bereiche dienen. Der of TU Graz research has come out at the right moment: perhaps
in der Steiermark herrschende Kooperationsgedanke zeigt, dass you’ll have more time to devote to the interesting articles in it. In
man gemeinsam mehr erreichen kann. this spirit I hope you enjoy reading this issue of TU Graz research,
Der Sommer und die Ferien stehen vor der Tür. Genau rechtzeitig and I wish you and your families a relaxing and pleasant summer.
erscheint diese Ausgabe des TU Graz research – vielleicht haben
Sie etwas Zeit, sich den interessanten Artikeln dieser Ausgabe zu
widmen. In diesem Sinne wünsche ich beim Lesen des Magazins
viel Freude sowie Ihnen und Ihren Familien einen erholsamen
Sommer.
3
Kunststoffe als Wärmemanager für Hightechprodukte
Plastics as Heat Managers for High-Tech Products
V F
on Laptops bis zu Generatoren: Kunst- rom laptops to generators: plastics are
stoffe sind integrale Bestandteile jeder Art an integral part of every electronic and
von Elektronik und Elektrotechnik. Im electrical device. In the research project
Forschungsprojekt „PolyTherm“ bündeln Exper- “PolyTherm” experts from chemistry, materials
tinnen und Experten aus Chemie, Materialwis- science, plastics and high-voltage engineering
senschaften, Kunststoff- sowie Hochspannungs- pool their expertise. They’re developing and
technik ihr Fachwissen. Sie entwickeln und testing novel polymers to facilitate the manu-
testen neuartige Polymere, die in Zukunft leis- facture of more powerful and compact high-tech
tungsfähigere und kompaktere Hightechpro- products in the future.
dukte ermöglichen werden.
Not only our everyday electronics, but also high-
Immer effizienter, smarter und gleichzeitig kompak- voltage generators and transformers need to become
ter soll nicht nur unsere Alltagselektronik, sondern more efficient, smarter and at the same time more
sollen auch Hochspannungsgeneratoren und Trans- compact. Because the rising worldwide demand
formatoren werden. Denn der weltweit steigende for electrical energy requires an increase in effi
Bedarf an elektrischer Energie fordert eine Effizi- ciency in order to achieve highest possible effective
enzsteigerung, um höchstmögliche Wirkungsgrade ness. But the increasingly powerful devices – from
erzielen zu können. Doch die immer leistungsfähi- smartphones and laptops to electric vehicles and
geren Geräte – von Smartphones über Laptops bis generators – with their high-efficiency compact parts
hin zu E-Autos und Generatoren – mit ihren hoch- are placing developers before a key challenge. The
effizienten kompakten Bauteilen stellen die Ent- smaller the surface area of the components and
wicklerinnen und Entwickler vor eine große Heraus- devices, the more problematic is heat dissipation
forderung: Je kleiner die Oberfläche der Bauteile into the environment. Heat build-up is the most
und der Geräte ist, desto herausfordernder gestal- common cause of system outages in electrical
© QUICWAY – TU Graz
tet sich die Wärmeabgabe an die Umgebung. Die devices.
© Lunghammer – TU Graz
4
On the Top
> ADVANCED
Wärmeentwicklung ist die häufigste Verursacherin During the development of new working materials MATERIALS SCIENCE
von Systemausfällen bei elektrischen Geräten. for electronic and electrical devices, much effort is
Bei der Entwicklung von neuen Werkstoffen für made to ensure that all the used materials work Abbildung 1:
Elektronik und Elektrotechnik wird dementsprechend together in such a way as to keep the resulting Aggregation von unfunktionalisier-
intensiv daran getüftelt, dass alle eingesetzten temperatures in check. The role of polymers and ten Alumina-Nanopartikeln (links)
Materialien so zusammenspielen, dass sie die polymer-based composites has meanwhile become bzw. statistische Verteilung von
entstehenden Temperaturen im Rahmen halten indispensable to this. Polymers and polymer-based oberflächenfunktionalisierten
können. Dabei spielen Polymere und polymerba- composites are chemical compounds characterised Alumina-Nanopartikeln (rechts)
sierende Komposite mittlerweile eine unverzicht- by long chains of more or less regularly structured in einem Epoxidharz.
bare Rolle. Hier handelt es sich um chemische organic molecules which, in the case of composites, Figure 1:
Verbindungen aus langkettigen, mehr oder weniger are mixed with inorganic materials. They insulate Aggregation of non-functionalised
regelmäßig aufgebauten organischen Molekülen, high-capacity components and go to form protec alumina nanoparticles (left) and
die im Fall von Kompositen mit anorganischen tive layers on circuits. And if it goes the way Frank statistical distribution of surface-
Materialien versetzt werden. Sie isolieren etwa Wiesbrock says it will, plastics will play a key role in functionalised alumina nanoparti-
Hochleistungskomponenten und bilden Schutz- heat management in the future. cles (right) embedded in epoxy
schichten auf Platinen. Und geht es nach Frank resin.
Wiesbrock, soll in Zukunft das Wärmemanagement
mit Kunststoffen noch weiter ausgebaut werden.
Hochleistungskunststoffe im Wärmemanagement
Der Chemiker am Forschungsinstitut Polymer Com-
petence Center Leoben (PCCL) und am Institut für
Chemische Technologie von Materialien (ICTM) der
TU Graz leitet das interdisziplinäre K-Projekt
„PolyTherm – Polymer Composites for Thermally
© Frank Wiesbrock
Demanding Applications“. Gemeinsam mit For-
schenden aus Chemie, Materialwissenschaften,
Kunststoff- und Hochspannungstechnik sowie In
dustriepartnern werden mit dem Projekt mehrere High-perfomance plastics in heat management
Ziele verfolgt: „Zum einen wollen wir die Tempera- The chemist at the Polymer Competence Center
turentwicklungen und die damit verbundene Be- Leoben (PCCL) and the Institute for Chemistry and
lastung der Materialien in Leistungselektroniksys- Technology of Materials at TU Graz heads the inter
temen im Simulationsverfahren analysieren. Mit disciplinary K-project “PolyTherm – Polymer Com
diesen Erkenntnissen können wir die Lebensdauer posites for Thermally Demanding Applications”.
und Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen Together with researchers from chemistry, materials
genau abschätzen. Zum anderen werden wir auf science, plastics and high-voltage engineering as
Basis dieser Analysen geeignete Polymere und well as industry partners, several objectives are
Polymerkomposite mit verbesserten thermo being pursued in the project. “On the one hand, we
mechanischen Eigenschaften entwickeln, die im want to analyse temperature developments and
Einsatz die beste Performance zeigen“, so Frank their associated burden on the materials in power
Wiesbrock. electronics systems in simulations.
Abbildung 2:
Bau eines Großgenerators.
Figure 2:
© Andritz Hydro
Building a large-scale
generator.
5
These findings will help us to accurately assess the
service life and reliability of electronic components.
On the other hand, on the basis of these analyses
we will be developing suitable polymers and polymer
composites with improved thermo-mechanical prop
erties which show the best performance in use,”
says Frank Wiesbrock.
© industrieblick – Fotolia.com
Polymers from renewable raw materials
Special attention will be given to environmental
sustainability through the innovative material concepts
developed in PolyTherm. “We are developing and
testing environmentally friendly polymers with their
Abbildung 3: Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen origin in nature as an alternative to mineral oil syn
Großindustrielle Fertigung Bei den innovativen Materialkonzepten, die im thetic resins. We have already been able to show
von Transformatoren. Projekt „PolyTherm“ entwickelt werden, wird dem that rapeseed oil is suitable as a good basis for
Figure 3: Thema Umweltverträglichkeit besonderes Augen- producing innovative insulating plastics,” says Frank
Industrial manufacture of merk geschenkt: „Wir entwickeln und testen um- Wiesbrock. The developments are also important
transformers. weltfreundliche Polymere natürlichen Ursprungs with regard to employee protection. This is due to
als Alternative zu erdölbasierten Kunstharzen. Wir the fact that some of the classical, mineral oil based
konnten etwa bereits zeigen, dass sich Rapsöl als epoxy resins contain components which may pose
gute Basis für die Herstellung von innovativen health risks in high concentrations. For this reason
Isolationskunststoffen eignet“, so Frank Wiesbrock. development from alternative materials is also a
Die Entwicklungen sind auch im Hinblick auf den long-term aim.
Arbeitnehmer/-innenschutz wichtig. Denn einige
der klassischen, erdölbasierten Epoxidharze ent- Interdisciplinary research alliance
halten Komponenten, die in hohen Konzentrationen In the framework of the COMET programme of the
als gesundheitsbedenklich diskutiert werden. Die Austrian Research Promotion Agency using funds
Entwicklung von alternativen Materialien ist auch from the Ministry for Science, Research and Econ
aus diesem Grund ein langfristiges Ziel. omy and the State of Styria, a budget of six million
euros is available for the four-year PolyTherm project
Interdisziplinärer Forschungsverbund which started at the beginning of 2017. On board
Für das vierjährige Projekt „PolyTherm“, das Anfang the project are institutes of five universities among
2017 gestartet ist und im Rahmen des COMET- which are TU Graz’s Institute for Chemistry and
Programms der FFG mit Mitteln des Infrastruktur- und Technology of Materials, the Institute of High-Voltage
Wirtschaftsministeriums sowie des Landes Steier- Engineering and System Management which among
mark gefördert wird, steht ein Budget von insgesamt other things will carry out load tests and dielectric
sechs Millionen Euro zur Verfügung. Mit an Bord characterisations, and the Institute of Inorganic
sind Institute von fünf Universitäten – darunter das Chemistry. Six partner companies from the micro
Institut für Chemische Technologie von Materialien, electronics and high-voltage engineering sector will
das Institut für Hochspannungstechnik und Sys- augment the competence network.
temmanagement der TU Graz, das unter anderem
Belastungsprüfungen und dielektrische Charakte-
risierungen durchführt, und das Institut für Anorga-
nische Chemie der TU Graz. Sechs Partnerunter-
nehmen aus den Branchen Mikroelektronik und
Hochspannungstechnik komplementieren das
Kompetenznetzwerk.
Abbildung 4+5:
Härtung von epoxybasierenden
Nanokompositen unter
UV-Strahlung.
Figure 4+5:
Curing of epoxy-based
© Lunghammer – TU Graz
© Lunghammer – TU Graz
nanocomposites using
UV radiation.
6
On the Top
> ADVANCED
Polymere mit nanoskalierten Füllstoffen Polymers with nanoscale fillers MATERIALS SCIENCE
Kunststoffe sind per se keine guten Wärmeleiter Plastics by definition are not good heat conductors
und sind im Allgemeinen nur mäßig temperatursta- and, in general, only have moderate temperature
bil. Mit den Ergebnissen, die im Projekt „PolyTherm“ stability. The results which will be obtained from
gewonnen werden, soll sich das ändern: Angestrebt PolyTherm should change all that. A temperature
wird bei den neuartigen Polymeren eine Tempera- stability up to 180 degrees Celsius is being sought
turstabilität bis 180 Grad Celsius (Isolierstoff-Klas- in the new polymers (insulation class H). In com
se H). Im Vergleich: Die derzeitig eingesetzten parison, the polymers currently being used have a
Polymere sind im Allgemeinen bis 155 Grad Celsi- general temperature stability up to 155 degrees
us stabil (Isolierstoff-Klasse F). Erreichen wollen Celsius (insulation class F). The researchers want
das die Forschenden mit anorganischen, nano- to achieve this by attaching inorganic, nanoscale
skalierten Füllstoffen, die sie in die Polymere ein- fillers onto the polymers. “By combining the nano
bringen. „Indem wir die Nanopartikel mit den Po- particles with the polymers in a controlled way, we
lymeren kontrolliert kombinieren, können wir neue can create new composite materials with certain
Kompositmaterialien mit bestimmten Eigenschaften properties that we can ‘fine tune’,” explains Frank
schaffen, die wir ‚finetunen‘ können“, erklärt Frank Wiesbrock.
Wiesbrock.
Durch die nanoskalierten Füllstoffe, mit denen die Abbildung 6:
Polymere versetzt sind, verändern sich deren phy- Darstellung von epoxybasierenden
sikalische und chemische Eigenschaften deutlich. Nanokompositen.
Je kleiner die Nanopartikel sind, desto größer ist Figure 6:
ihre Oberfläche. Somit werden Interaktionen mit Representation of epoxy-based
anderen Partikeln in der Polymerbasis verstärkt, nanocomposites.
was Festigkeit, Wärmebeständigkeit und die Wär-
meleitfähigkeit erhöht.
Im derzeitigen Fokus des Forschungsprojekts steht
© Lunghammer – TU Graz
die Untersuchung von oberflächenfunktionalisierten
Nanofüllstoffen. „Metall- und Halbmetalloxide wie
Silica oder Alumina kommen weltweit in großen
Mengen natürlich vor und werden schon seit Län-
gerem als Füllstoff für Isolatoren in der Kunststoff-
industrie eingesetzt. In den vergangenen Jahrzehn- Nanoscale fillers can be mixed with the polymers
ten haben sich durch die Fortschritte im Bereich to alter the physical and chemical properties. The
der Nanotechnologie neue Anwendungsmöglich- smaller the nanoparticles are, the larger their surface
keiten für diese Füllstoffe, besonders im Hinblick area. In this way interaction with other particles in
auf ihre Wärmeleitfähigkeit, eröffnet“, erklärt Frank the polymer base is enhanced, thus increasing
Wiesbrock. strength, thermal stability and thermal conductivity.
Was den Einsatz von Nanofüllern wie beispielswei- Currently, the focus of the research project is on
se Bornitrid so besonders für Materialwissenschaf- investigating surface-functionalised nanofillers.
ten und Chemie macht, ist der chemische Aufbau: “Metal and semi-metal oxides such as silica or
Hexagonales Bornitrid zeigt eine dem Graphit ver- alumina occur naturally in large quantities through
gleichbare Struktur. Die einzelnen Struktureinheiten out the world and have been used as fillers for in
des hochpolymeren Bornitrids sind nur sehr schwach sulators in the plastics industry for a long time. In
gebunden. Diese sorgen dann für eine bessere the last few decades, progress in the field of nano
Haftung zwischen der Matrix, also dem Polymer, technology has opened up new application pos
und dem nanoskaligen Füllstoff. sibilities for these fillers, particularly with respect to
Die Forschenden sind nun dabei, Wege zu finden, their heat conductivity,” explains Frank Wiesbrock.
damit sich die nanoskaligen Füller gleichmäßig in
der Kunststoffmatrix dispergieren lassen. What makes the use of nanofillers, such as boron
nitride, so special for materials science and chem
Rissen bei der Ausdehnung und Aushärtung vorbeugen istry is their chemical structure. Hexagonal boron
Eine weitere Herausforderung für die Forschenden nitride has a comparable structure to graphite. The
ist die thermische Ausdehnung bei der Wärmeent- individual structural units of the high polymer boron
wicklung, die dann zum Problem werden kann, nitride only have very weak bonds. They ensure a
wenn Schichten verschiedener Materialien mitei- better attachment between the matrix – in other
nander verbunden sind. „Einerseits wird die Haftung words, the polymer, and the nanoscale filler. The
zwischen Metallen und Polymeren schlechter, wenn researchers are in the process of finding ways of
sie sich bei steigender Temperatur unterschiedlich dispersing the nanoscale filler in the plastic matrix
ausdehnen. Andererseits kann es bei equally.
7
On the Top
> ADVANCED
MATERIALS SCIENCE
8
Polymeren zur Aushärtung und zu Rissen kommen, Preventing tears during expansion and hardening
was sich negativ auf die Isolationseigenschaften Another challenge to the researchers is thermal
auswirkt“, erklärt Frank Wiesbrock. Aus diesem expansion during heat build-up: this can become
Grund versuchen die Forschenden im Projekt „Po- a problem when layers of different materials are
lyTherm“, Polymere so zu designen, dass ein Teil joined. “On the one hand, the bond between metals
der Molekülkette sein Volumen vergrößert, während and polymers becomes worse when they expand
der andere Teil der Kette schrumpft. So kann das differently due to increasing temperature. On the
Volumen des Kunststoffs auch bei der Härtung other hand, polymers can develop tears or harden
weitgehend konstant gehalten werden. ing, something which has a negative effect on the
insulation properties,” explains Frank Wiesbrock.
Maßgeschneiderte Kunststoff-Bausteine For this reason, the researchers are trying to design
Geplant ist im Projekt „PolyTherm“ zudem die the polymers in such a way that a part of the mo
Evaluierung alternativer Herstellungstechnologien. lecular chain increases its volume, while the other
„Polymere und Polymerkomposite weisen für die part shrinks. In this way the volume of the plastic
Hochspannungstechnik ausgezeichnete Material- can remain largely constant even during hardening.
eigenschaften auf. Da jedoch jedes Bauteil an die
vorhandene Umgebung angepasst werden muss, Tailor-made plastic building blocks
sind auch diese Kleinstbestandteile hochspeziali- The evaluation of alternative production technologies
sierte Maßanfertigungen. Derzeit werden die Poly- has been planned in the PolyTherm project. “Poly
merkomponenten noch nach konventionellen Ver- mers and polymer composites have outstanding
fahren hergestellt, die im Allgemeinen kosteninten- material properties for high-voltage engineering. But
siv sind“, so Frank Wiesbrock. Hier könnte man in because each part has to be adapted to the avail
Zukunft auf günstigere und schnellere Verfahren able environment, even these smallest elements
setzen, dafür ist aber derzeit nur eine kleine Anzahl are subject to highly specialised tailor-made solu
von Polymeren geeignet. „Das möchten wir ändern, tions. Polymer components are still manufactured
indem wir den Einsatz bestimmter Additive evalu- according to conventional methods which are gen
ieren“, erklärt Frank Wiesbrock. erally cost intensive,” says Frank Wiesbrock. But in
the future, cheaper and faster processes could be
In regionaler Hinsicht stärkt „PolyTherm“ die Sicht- relied on, though currently only a small number of
barkeit des neu gegründeten Clusters Silicon Alps, polymers are suitable. “We want to change this by
der österreichische Akteurinnen und Akteure aus evaluating the uses of certain additives,” continues
Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlicher Hand Frank Wiesbrock.
bündeln und einmalige Potenziale in der Mikroelek-
tronik und Elektrotechnik eröffnen soll. From a regional point of view, PolyTherm enhances
the visibility of the newly established Silicon Alps
Text: Ulrike Keller Cluster, which combines Austrian players from sci
ence, economy and the public sector and should
open up unique potentials in microelectronics and
Abbildung 7: electrical engineering.
Aufbau eines Zugprüfversuchs von
Nanokompositen. Text: Ulrike Keller
Figure 7:
Set-up for testing the tensile
strength of nanocomposites.
Abbildung 8:
Zugprüfung zur Quantifizierung der
mechanischen Stabilität von
Nanokomposit-Prüfkörpern.
© Lunghammer – TU Graz
Figure 8:
Tensile test for quantifying the
mechanical stability of
nanocomposite test bodies.
99
Fields of Expertise
Im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ gibt es
einige hochqualitative Kooperationen mit K1- und K2-
Zentren. Darüber hinaus wird ein K-Projekt an der TU Graz
T he Field of Expertise Advanced Materials Science par-
ticipates in a number of COMET competence centres. It
furthermore leads one K-Project and is participating in an-
geleitet und an einem wird teilgenommen. other.
Im K2-Zentrum MPPE, das The K2-centre MPPE (Integrated Research in Materials, Pro-
Advanced
gemeinsam mit dem Materials cessing and Product Engineering) is coordinated by the Ma-
Center Leoben betrieben wird, terials Center Leoben (MCL). It focuses on the areas of mate-
wird an integrierter Werkstoff-, rial development, manufacturing processes and the in-service
Materials Prozess- und Produktentwick-
lung gearbeitet. Im Zentrum
stehen die Kernbereiche der
behaviour of metals, ceramics and composites in structural
components, tools and electronic components. Romain Bureau’s
article on the following pages gives a glimpse of the work of
Science materialtechnischen Prozess-
kette von Strukturwerkstoffen
und mikroelektronischen Werk-
the Center.
Furthermore we report on the K1-centre PCCL (Polymer
stoffen. Einblicke in die Arbeit gibt ein Artikel von R omain Competence Center Leoben) in the “On the top” section. It
Bureau, der zentral in das Projekt „AMAG MCL - Modelling leads collaborative research in polymer technology and poly-
of microstructure evolution during cold rolling and contiuous mer science in diverse polymer applications, including auto-
solution annealing of aluminium alloys“ involviert war. motive, aerospace, packaging and solar energy. The K1-Met
(Competence Center for Excellent Technologies in Advanced
Außerdem berichten wir ab Seite 4 in der Rubrik „On the Top“ Metallurgical and Environmental Process Development) is run
über die Arbeit des K1-Zentrums PCCL, des Polymerkompe- by all three Austrian Universities of Technology – TU Graz, the
tenzzentrums Leoben. Hier beschäftigt man sich mit der Montanuniversität Leoben and TU Wien. Together with well
Christof Sommitsch, Leitungsteam FoE
„Advanced Materials Science“
Herstellung und Verarbeitung von Hochleistungspolymeren. known industrial partners the centre focuses on sustainable
Christof Sommitsch, executive team FoE Am K1-Met Zentrum „Competence Center for Excellent Tech- metal production.
Advanced Materials Science nologies in Advanced Metallurgical and Environmental Process
Development“ sind alle TU Austria-Universitäten beteiligt – die The FoE Advanced Materials Science also coordinates the
TU Graz, die Montanuniversität Leoben und die TU Wien. K-Project Network of Excellence for Metal JOINing and to-
Gemeinsam mit namhaften Industriepartnern wird hier unter gether with five scientific and twelve industrial partners re-
anderem der Stranggussprozess an kleinen Proben getestet, searches various welding processes. Finally the K-Project
um die Hochtemperatureigenschaften zu bestimmen. PolyTherm was recently launched by the Institute for Chem-
istry and Technology of Materials, Institute of High Voltage
Das TU Graz-Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Engineering and System Performance, and the Institute of
Umformtechnik ist des Weiteren Konsortialführer im K-Projekt Inorganic Chemistry. The themes of this project are thermoplast-
„Network of Excellence for Metal JOINing“ und arbeitet ge- based insulating components for high-voltage transformers
meinsam mit fünf wissenschaftlichen und zwölf Partnern aus and expanding polymers, assembly components with tailor-
der Industrie an verschiedensten Schweißverfahren. Zusätzlich made geometrical alignment, and cationic curing of epoxy
wurde erst kürzlich das K-Projekt PolyTherm gestartet, in dem thermosets with tailor-made properties based on simulations.
die TU Graz-Institute für Chemische Technologie von Mate-
rialien, Hochspannungstechnik und Systemmanagement These COMET projects allow the participating TU Graz institutes
sowie Anorganische Chemie zusammenarbeiten werden. Die to carry out research at a high level. Along with the applied
Themenstellungen sind: Thermoplast-basierende Isolierkom- research, there is usually sufficient scope in these projects to
ponenten für Hochspannungstransformatoren und expandie- investigate fundamental issues.
rende Polymere sowie kationische Aushärtung von Epoxy-
Duroplasten mit maßgeschneiderten Eigenschaften auf Basis
von Simulationsverfahren.
Die angeführten COMET-Projekte unterstützen die beteiligten
TU Graz-Institute, Forschung auf hohem Niveau zu betreiben,
wobei neben dem Bezug zur Anwendung meist genügend
Freiraum für die Untersuchung grundlegender Fragestellungen
bleibt.
10Fields of Expertise
> ADVANCED
MATERIALS SCIENCE
Modellierung der Mikrostruktur
von Aluminium-Legierungen
Modelling the Microstructure of
an Aluminium Alloy
Romain Bureau
Zu verstehen, welche Mechanismen hinter der Understanding and modelling the mechanisms
Formgebung von metallischen Legierungen involved in shaping metallic alloys has become
stecken, ist ein wichtiges Anliegen der Industrie. a major concern of manufacturers. Amongst
Dabei spielen vor allem Kaltverformung und those mechanisms, strain hardening and recrys-
Rekristallisation, die sowohl Produktionsprozess tallization play a critical role, as they impact the
als auch Materialeigenschaften wesentlich be- production process as well as the material prop-
einflussen, eine zentrale Rolle. perties.
Roman Bureau ist Doktoratsstudent
am Institut für Werkstoffkunde,
Aluminium und seine Legierungen sind heute nach Nowadays, aluminium and its alloys rank second in Fügetechnik und Umformtechnik.
Stahl die am zweitmeisten verwendeten Metalle. consumption volumes among metallic materials, Das vorgestellte Projekt ist seine
Vom Transport bis zur Verpackung, in Bauteilen surpassed only by steel. From packaging to trans Abschlussarbeit.
und Fassaden, als dekoratives Element, in der portation, in structural parts and facades or for
Roman Bureau is PhD student at
chemischen Industrie oder am Bau – Aluminium decorative purposes, in the chemical industry, in the Institute of Materials Science and
ist ein zentraler Bestandteil vieler Anwendungen. construction, aluminium has become a key com Welding and carried out the project
Ein Vorteil ist vor allem sein geringes Gewicht bei ponent in all kinds of applications. Especially, its as his thesis.
hoher Stabilität – ein wichtiger Faktor vor allem in low strength-to-weight ratio has been the primary
der Flug- und Fahrzeugindustrie. factor for the development of the aeronautic and
automotive industries.
Allzwecklegierungen, die auf dem Al-Mg-Si-System
basieren wie 6082, sind für gewöhnlich als Blech General purpose alloys such as the 6082, based
oder extrudiertes Produkt zu finden. Sie werden in on the Al-Mg-Si system, are commonly found as
einer Folge von thermomechanischen Produktions- sheets and extruded products, and are manufactured
schritten hergestellt und exakt nach den gewünsch- by a succession of thermo-mechanical steps de
ten Produktmerkmalen designt. signed to achieve the desired product characteris
tics.
Obwohl das Design technologischer Legierungen
immer noch experimentell ist, können numerische Even though the design of technological alloys still
mikroskopische Modelle viele Erkenntnisse über relies heavily on experimentation, numerical micro
die Beziehung von Mikrostruktur und makrostruk- scopic models can provide a great deal of insight
turellen Eigenschaften liefern. Auf diese Werkzeu- on the relationship between microstructure and
ge sind Industrie und Forschung immer stärker macroscopic properties. For that reason, they are
angewiesen. a tool on which industries and research departments
rely more and more.
Kaltverformung
Während des Walzvorgangs verfestigt das Walzgut Strain hardening
zunehmend. Der Walzendruck muss daher konti- During the rolling process, the mechanical strength
nuierlich erhöht werden, um das Material weiterzu- of the material increases. It is then necessary to
verformen. Dieses physikalische Phänomen, auch continuously raise the roll pressure in order to further
Kaltverfestigung genannt, entsteht durch die Zu- deform the material. This physical phenomenon,
nahme mikrostruktureller Defekte im Material, die known as strain-hardening, is a result of the rapid
während der plastischen (= bleibenden; im Ge- increase of microstructural defects in the material
gensatz zur elastischen) Verformung auftreten. during plastic (permanent, in opposition to elastic)
Berücksichtigt man nun die deformation. Taking
11Fields of Expertise
> ADVANCED
MATERIALS SCIENCE Mechanismen, bei denen kristalline Linienfehler – into account the mechanisms by which crystalline
sogenannte Versetzungen – sich multiplizieren und line defects – called dislocations – multiply and
auslöschen, dann ist es möglich, Stoffmodelle zu annihilate, it is possible to design constitutive mod
Abbildung 1: designen, die die Änderung der Fließspannung – els able to relate the evolution of the flow stress of
Fließspannung (links) und also die Kaltverfestigung – eines Materials mit a material, i.e. the strain hardening, to its micro
Versetzungsdichte (rechts). seinem mikroskopischen Zustand in Verbindung scopic state.
Evolution während der Verformung setzen.
mit einer Dehnungsgeschwindigkeit
von 1 s-1 und bei verschiedenen
Temperaturen. Die Marker sind
experimentelle Daten, die kontinu-
ierlichen Linien die Resultate der
Modellierung.
Figure 1:
Flow stress (left) and dislocation
density (right) evolution during
deformation at a strain rate of 1 s-1
and various temperatures.
The markers are experimental data,
© IWS – TU Graz
and the continuous lines are the
model results.
Abbildung 2: Rekristallisation Recrystallization
Teilweise rekristallisierte Die akkumulierten Defekte in der Mikrostruktur – The defects accumulated in the microstructure
Mikrostruktur nach Plain-strain- Versetzungen und Grenzflächen – erhöhen die im under the form of dislocations and interfaces raise
Verformung bei Raumtemperatur Material gespeicherte Energie. Beim Aufheizen the energy stored within the material. Upon anneal
und Glühung bei 300 °C für werden von Diffusion kontrollierte Mechanismen ing, diffusion-controlled mechanisms are promoted.
20 Minuten. Die Region initiiert, die zur Erholung der kristallinen Struktur They allow the crystalline structure to recover and
mit hohem Verformungsgrad und einer Energieabnahme führen. Ist die Glüh- lower its energy by getting rid of the defects. Ad
rekristallisiert als Erstes. temperatur hoch genug, können neue, defektlose ditionally, when the annealing temperature is high
Figure 2: Kristalle in hochverformten Regionen nukleieren enough, new defect-free crystals can nucleate in
Partially recrystallized microstruc- und in die deformierte Matrix hineinwachsen – die- the regions of high energy and grow into the deformed
ture after plain strain compression ses Phänomen wird Rekristallisation genannt. Die matrix – this phenomenon is called recrystallization.
at room temperature and annealing Korngröße der neu entstandenen Kristalle hängt The radius of the fully grown crystalline grains de
at 300 °C for 20 minutes. vom vorangegangenen Deformationslevel ab. pends on the level of deformation previously
The region of high strain achieved, i.e. the amount of energy stored in the
recrystallizes first. Das heißt: von der im Material gespeicherten Ener- material, the annealing temperature and the even
gie, der Glühtemperatur und von Ausscheidungen tual particles of second phase present in the micro
einer zweiten Phase, die in der Mikrostruktur vor- structure.
handen sind.
© IWS – TU Graz
Der Einfluss der Erholung ist nicht zu unterschätzen The influence of recovery on recrystallization is not
und muss gewissenhaft in jedes Rekristallisations- trivial. It needs to be thoroughly taken into account
modell eingearbeitet werden. Ein solches Modell in any recrystallization model. The latter usually
enthält für gewöhnlich eine Avrami-Gleichung, die, feature an Avrami-type equation, which, when com
wenn sie mit einem maßgeschneiderten Keimbil- bined with a tailored nucleation model, becomes
12Fields of Expertise
> ADVANCED
dungsmodell kombiniert ist, die Rekristallisations- able to predict the recrystallization kinetics. Being MATERIALS SCIENCE
kinetik vorhersagen kann. Die Korngröße vorher- able to forecast the grain structure is a critical mat
sagen zu können, ist eine wichtige Erkenntnis für ter for any manufacturer because it directly impacts
jeden Hersteller. Sie hat direkte Auswirkungen auf several material properties, such as mechanical
die Materialeigenschaften – wie die Festigkeit, die strength, solid state atomic diffusion, and crack
Atomdiffusion oder die Rissausbreitung. propagation, etc.
Mehrskalenmodellierung Multiscale modelling
Ein großes Anliegen der Industrie ist es, die Pro- It has become a major concern of industries to
duktionsprozesse auf verschiedenen Größenskalen model their production processes at multiple scales.
darzustellen. Klassischerweise ist ein Finite Element The macroscopic scale is classically dealt with
Model gut geeignet, um die makroskopische Ska- fairly well with a finite element model. By implement
la abzudecken. Integriert man die konstruktiven ing the constitutive and recrystallization models in
und Rekristallisationsmodelle mikroskopischer microscopic routines within the finite element frame
Vorgänge, kann man die verschiedenen thermo- work, one can follow the various thermo-mechanical
mechanischen Schritte im Produktionsprozess steps involved in the production of metallic plates.
einer metallischen Platte verfolgen. Beispielsweise
ist es möglich, den aus einem Deformationsprozess Abbildung 3:
resultierenden Spannungszustand oder die resul- 2D-FE-Modell des Walzpro
tierende Korngröße bei kontinuierlicher Glühung zesses mit dem konstitutiven
bei 550 °C zu berechnen. Modell.
Figure 3:
© IWS – TU Graz
Diese Projekt wurde in Kooperation mit der AMAG 2D-FE modelling of the rolling
rolling Gmbh, der TU Wien und dem Austrian Ins- process with the constitutive
titute of Technology durchgeführt. model.
Finanzielle Unterstützung kam von der Österreichi-
schen Bundesregierung (im Speziellen vom Bun- Abbildung 4:
desministerium für Verkehr, Innovation und Tech- Korngrößenverteilung in der
nologie und vom Bundesministerium für Wissen- Dicke der Platte nach einer
schaft, Forschung und Wirtschaft), vertreten durch Glühung bei 550 °C für 20 s
© IWS – TU Graz
die Österreichische Forschungsförderungsgesell- (in µm).
schaft mbH sowie der Steirischen und der Tiroler Figure 4:
Landesregierung, vertreten durch die Steirische Grain size distribution in the
Wirtschaftsförderungsgesellschaft mbH und die thickness of the plate after
Standortagentur Tirol, innerhalb der COMET-Pro- For instance, it is possible to calculate the stress annealing at 550°C during
gramme. involved in the deformation process, or predict the 20 s (in µm).
grain radius after continuous annealing at 550 °C.
This project was made in collaboration with AMAG
rolling Gmbh, TU Wien and the Austrian Institute of
Technology.
Financial support from the Austrian Federal Govern
ment (in particular from Bundesministerium für
Verkehr, Innovation und Technologie and Bundesmi-
nisterium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft)
represented by Österreichische Forschungsförder
ungsgesellschaft mbH and the Styrian and the Ty
rolean provincial government, represented by
Steirische Wirtschaftsförderungsgesellschaft mbH
and Standortagentur Tirol, within the framework of
the COMET funding programme is gratefully ac
knowledged.
13Fields of Expertise
I n dieser neuen Ausgabe des TU Graz research steht ein
zentrales Element unserer Bemühungen, intensiv mit der
Industrie zusammenzuarbeiten, im Zentrum: die Competence
I n this new issue, TU Graz research focuses on a central
element of the University's broad outreach activities for
collaborating with industry: the Competence Centers for Excel-
Centers for Excellent Technologies (COMET). Österreichweit lent Technologies (COMET). TU Graz is one of the leading
ist die TU Graz die momentan erfolgreichste Universität, was Austrian universities regarding successul applications to the
die Einwerbung von COMET- COMET programme. The current centers cover a wide range
Human & Zentren betrifft. Die derzeitigen
Kompetenzzentren arbeiten an
einer breiten Vielfalt an For-
of research areas distributed across the different FoE. For our
FoE Human & Biotechnology, three centres are of relevance
in particular: the Austrian Centre of Industrial Biotechnology
Biotechnology schungsbereichen quer durch
alle Fields of Expertise. Das FoE
„Human & Biotechnology“ ist
(acib), the Research Center Pharmaceutical Engineering
(RCPE) and Know-Center. acib and RCPE are each featured
in an article in this issue of TU Graz research.
insbesondere an drei Forschungszentren beteiligt: am Austrian
Centre of Industrial Biotechnology (acib), am Research- One question sometimes asked is what exactly is the relation-
Center Pharmaceutical Engineering (RCPE) und am Know- ship between the research and development carried out in
Center. Dem acib und dem RCPE sind in dieser Ausgabe zwei the centers and the applied research done at the University?
Artikel gewidmet. A continuum of possibilities exists which, depending on the
requirements of the individual project, ranges from independ-
Mitunter wird die Frage aufgeworfen, wie das Verhältnis ent complementarity to synergistic integration.
Bernd Nidetzky, Leitungsteam FoE
zwischen Forschung und Entwicklung in den Kompetenzzentren
„Human & Biotechnology“
und angewandter Forschung an der Universität ist. Die Mög- Despite being owned by the University, the centers are com-
Bernd Nidetzky, executive team FoE
Human & Biotechnology lichkeiten sind vielfältig und können flexibel an die jeweiligen panies in their own right and thus need to develop somewhat
Anforderungen des Projekts angepasst werden. Im besten Fall independent strategies. The FoE is certainly a good place for
kommt es zu einer gegenseitigen, unabhängigen Ergänzung discussion and exchange of information so that future strate-
der Arbeit oder einer synergetischen Verbindung. gies can be communicated and possibly aligned for optimum
confluence and synergy. The FoE has been able to do interest-
Obwohl die Kompetenzzentren von den Universitäten betrieben ing research together with the centres and their company
werden, sind sie rechtlich gesehen eigene Firmen, die ihre partners, and the COMET Centers, on their part, have been
Strategie dementsprechend gestalten müssen. Das FoE ist highly successful in acquiring high-end equipment and in-
jedenfalls ein guter Ort, um sich über die zukünftigen Strate- strumentation in the past. There is a clear mutual benefit for
gien auszutauschen und zu diskutieren, mit dem Ziel, schluss- both centers and the University.
endlich einen für beide Seiten fruchtbaren Weg gehen zu
können. Außer gemeinsam interessante Forschung mit den Projects carried out in collaboration with industry represent
Forschungszentren und deren Industriepartnern zu betreiben, a significant pillar of the current research carried out within
sind die COMET-Zentren auch äußerst erfolgreich in der the FoE Human & Biotechnology. Fundamental research
Einwerbung von High-End-Equipment und -Instrumenten. Es projects, like the ones typically funded by the Austrian FWF,
ist ein klarer gemeinsamer Nutzen für die Zentren und die constitute another equally strong pillar of the overall research.
Universität. Researchers in the FoE have also been quite successful in
acquiring projects funded by the European Commission. This
Gemeinsame Projekte mit der Industrie sind eine der Grund- FoE is marked by a "healthy" distribution of funding from
säulen der momentan im FoE „Human & Biotechnology“ different sources.
betriebenen Forschung. Eine weitere Säule sind Grundlagen-
forschungsprojekte wie die typischerweise vom FWF geför-
derten. Unsere Forschenden in den FoE sind sehr erfolgreich,
was das Einwerben von Forschungsmitteln der Europäischen
Kommission betrifft. Unser Markenzeichen ist eine „gesunde“
Mischung aus Fördermitteln, die aus unterschiedlichen Quel-
len kommen.
14Fields of Expertise
> HUMAN &
BIOTECHNOLOGY
Neue biologische Ansätze für
die Synthesechemie
Novel Biological Approaches in
Synthesis Chemistry
Martina Geier
Die Pharmaindustrie ist auf der Suche nach The pharma industry is in search of sustainable
nachhaltigen und kostengünstigen Herstellungs- and cost-effective manufacturing processes for
verfahren für Medikamente. Im Rahmen des drugs. In the “CHEM21” project, project teams
CHEM21-Projekts haben Projektteams an der from TU Graz and acib developed genetic tools
TU Graz und am Kompetenzzentrum acib gen- to provide tailored microorganisms for quick
technische Werkzeuge entwickelt, um in Zukunft and straight forward drug production approaches.
maßgeschneiderte Mikroorganismen für die
Martina Geier ist Wissenschafterin
Arzneimittelproduktion schnell und einfach zur Classical drug production processes often require
am Austrian Centre of Industrial
Verfügung zu stellen. up to 100 kg of raw materials to manufacture 1 kg Biotechnology (acib GmbH). Ihr
of the active ingredient of a drug. This inefficiency aktueller Forschungsschwerpunkt
In klassischen Produktionsprozessen werden oftmals does not only constitute a problem for the environ liegt auf der Herstellung von
„Designer-Hefen“ für neue
bis zu 100 kg an Rohstoffen eingesetzt, um 1 kg ment, but is also responsible for the price of current
synthetische Anwendungen.
an Wirkstoff für Medikamente herzustellen. Diese medicines. In addition, the scarcity of precious
Ineffizienz stellt nicht nur ein Problem für die Umwelt metals such as platinum is an emerging issue in Martina Geier is a researcher at the
dar, sondern ist auch maßgeblich für den Preis von the pharma industry as they are frequently used as Austrian Centre of Industrial
Arzneimitteln verantwortlich. Die Knappheit von catalysts in many of the current synthesis routes. To Biotechnology (acib GmbH).
Edelmetallen wie Platin ist zusätzlich problematisch solve these problems in a sustainable way, innova Her current research focuses on
the generation of engineered
für die Pharmaindustrie, da diese in vielen Synthe- tive alternative production methods are needed.
yeasts for novel synthetic
sewegen als Katalysatoren eingesetzt werden. Um The CHEM21 project funded by the EU and by the applications.
diese Probleme nachhaltig lösen zu können, braucht Innovative Medicines Initiative (IMI) is focused on
es innovative alternative Produktionsmethoden. the development of exactly such methods for the
Das von der EU und von der Innovative Medicines pharmaceutical industry of the 21st century.
Initiative (IMI) geförderte Projekt CHEM21 arbeitet
daran, genau solche neuen Methoden für die Phar- CHEM21
maindustrie des 21. Jahrhunderts zu entwickeln. In the CHEM21 project, research teams from the
Institute of Molecular Biotechnology at TU Graz as
CHEM21 well as from acib, the Austrian Center for Industrial
Im Rahmen des CHEM21-Projekts haben sich Biotechnology, have been using concepts from
Forschendenteams vom Institut für Molekulare synthetic biology in the production of drugs. Syn
Biotechnologie an der TU Graz sowie vom acib, thetic biology is a relatively young research area
dem österreichischen Kompetenzzentrum für in- and aims to engineer and study non-natural bi-
dustrielle Biotechnologie, damit beschäftigt, Kon- ological systems for new applications, such as
zepte aus der synthetischen Biologie für die Arz- getting access to valuable compounds. One of the
neimittelproduktion zu nutzen. Unter synthetischer first realized applications and hence a prominent
Biologie, einem relativ jungen Forschungsfeld, example for the power of synthetic biology ap
versteht man das Konstruieren und Erforschen von proaches is the production of the anti-malaria drug
nicht-natürlichen biologischen Systemen, um damit artemisinin in the baker´s yeast Saccharomyces
unter anderem neue Produkte herzustellen. Eine cerevisiae. However, the development of this yeast
der ersten umgesetzten Anwendungen und somit strain, which included the implementation of plant-
auch ein prominentes Beispiel der synthetischen derived biosynthetic pathway steps in the yeast,
Biologie ist die Herstellung des Malariawirkstoffes took several years and required large amounts of
Artemisinin in der Bäckerhefe Saccharomyces research funds. For this reason, one goal of the
cerevisiae. Die Entwicklung dieses CHEM21 project was to establish and
15Fields of Expertise
> HUMAN &
BIOTECHNOLOGY
Abbildung 1:
Die Werkzeugkiste für den
synthetischen Biologen.
Figure 1:
The toolbox of the
synthetic biologist.
© Birgit Wiltschi,acib GmbH
Hefestamms, die die Übertragung von pflanzlichen evaluate methods to generate such tailored micro
Stoffwechselschritten in die Hefe beinhaltete, nahm organisms in a more straight-forward way in less
mehrere Jahre und große Summen an Forschungs- time. In this process, a “toolbox” with complemen
geldern in Anspruch. Ziel im CHEM21-Projekt war tary elements was developed that can be used for
es daher, Methoden zu etablieren und zu evaluieren, the quick and simple construction of natural or
wie solche maßgeschneiderten Mikroorganismen synthetic pathways in bacteria and yeasts in the
in kürzerer Zeit hergestellt werden können. Dabei future.
entstand eine „Werkzeugkiste“ mit komplementären
Komponenten, die in Zukunft für die schnelle und Important tools
einfache Konstruktion von natürlichen oder synthe- Pathways for the biosynthesis of complex molecules
tischen Stoffwechselwegen in Bakterien und Hefen usually consist of several reaction steps that are
verwendet werden können. catalyzed by enzymes. These enzymes have to be
produced in sufficient and balanced amounts in the
Wichtige Werkzeuge host system. Therefore, promoters – genetic switch
Stoffwechselwege zu komplexen Molekülen beste- es that regulate enzyme production – are important
hen aus mehreren Reaktionsschritten, die von tools to increase the yields of the final product. For
Enzymen katalysiert werden. Diese Enzyme müssen the biotechnologically relevant yeast Pichia pasto
im Wirtsorganismus in ausreichender und ausba- ris, the CHEM21 team at the Institute of Molecular
lancierter Menge produziert werden. Daher sind Biotechnology identified a set of promoters that vary
Promotoren – genetische Schalter, die die Produk- in strength and regulatory profiles. Consequently,
tion von Enzymen regulieren – wichtige Werkzeuge, these promoters were used by acib scientists to
um hohe Produktausbeuten zu erzielen. Das successfully reconstruct pathways for the production
of β-carotene (the orange pigment found e.g. in
carrots) and violacein (an antibacterial purple pig
ment) in the yeast. The resulting colored yeast strains
were not only great fun to work with in the lab, but
the intensive coloration also indicated high product
quantities.
New concept
© Lukas Sturmberger, acib GmbH
Abbildung 2: For the simultaneous production of several enzymes,
Im Labor werden die neuesten an alternative approach was tested. In higher organ
Ergebnisse besprochen. isms, each gene generally requires an individual
Figure 2: promoter that drives its expression. This fact can
The latest results are cause problems particularly when large pathways
discussed in the lab. consisting of 10 or more enzymes have to be re
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