Forschungsprojekte PD Dr. Dana Kralisch

Modulation der „stillen Inflammation“ während des Alterns durch Naturstoff(-derivat)e mittels innovativer Trägermaterialien.

Das Verbundprojekt NanoBEL hat sich zum Ziel gesetzt, erstmals Langzeit-Effekte der Exposition medizinischer Nanopartikel zu untersuchen. Im Fokus stehen superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikel, welche in der diagnostischen Bildgebung Anwendung finden. Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Formulierungen von funktionalisierten Eisenoxid-Partikeln untersucht. Ein "Safe by Design"-Ansatz soll zu einer Auswahl innovativer Nanopartikel für die Diagnostik führen. Für die Entscheidungsfindung werden Konzepte der Risikobewertung und der Lebenszyklusanalyse zusammengeführt. Das Ziel ist es neben dem Gefahrenpotential der Nanomaterialien auch die ökologischen Auswirkungen, Produktionskosten und den technischen Reifegrad des Herstellungsprozesses zu berücksichtigen.  

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Wozu neue Glasmodule für Fenster und Fassaden?

Etwa ein Viertel des Gesamtenergieverbraucht wird nur zum Heizen von deutschen Haushalten benötigt und geht zu schnell wieder an die Umwelt verloren. Alleine 50% der Wärmeenergie werden über Fenster und Fassaden an die Umgebung  abgegeben ohne weiter genutzt oder gespeichert zu werden. Somit verbrauchen Gebäude im Allgemeinen mehr Energie als sie erzeugen und durch den hohen Energieverlust werden viele Ressourcen für den Heizprozess unsinnig verschwendet. Dieser Aspekt soll durch die Entwicklung energieeffizienter Glasmodule geändert werden und weltweit zu enormen Einsparungen fossiler Energiemengen führen. Zur Umsetzung dieses Konzeptes soll im zukünftigen Fenstern- und Fassadenelement eine transparente Flüssigkeit integriert werden, die sowohl Wärme als auch Kälte optimal transportiert, welche anschließend anderweitig genutzt oder gespeichert werden kann. Hierfür soll im Rahmen des LAWIN-Projektes (LAWIN = Large Area Microfluidic Windows) eine begleitende Prozessbewertung für die Entwicklung neuer energieeffizienter Gläser durchgeführt werden. Eine angepasste Methodik soll für eine vergleichende Ökobilanzierung (LCA = Life-Cycle-Assessment) der unterschiedlichen Gläser entwickelt und abschließend eine ökoeffiziente Kostenanalyse (LCC = Life-Cycle-Costing) sowie eine EPD (Umwelt-Produktdeklaration) für ein neues energieeffizientes Glasmodul angefertigt werden.

Im Rahmen des von D. Kralisch koordinierten H2020 Verbundprojektes MEASURE wurde eine umfassende Roadmap zur sektorübergreifenden Nachhaltigkeitsbewertung in der europäischen Prozessindustrie erstellt.

Die Arbeiten wurden gefördert durch das Europäische Forschungsrahmenprogramm H2020, Grant Nummer 637016. Nähere Informationen finden sich auf der Homepage des Projektes: https://www.spire2030.eu/measure/Externer Link

Referenzen

• Kralisch, D. Ott, A. A. Lapkin, P. Yaseneva, W. De Soete, M. Jones, N. Minkov, M. Finkbeiner, The need for innovation management and decision guidance in sustainable process design, Journal of Cleaner Production 2018, 172, 2374-2388.
• Sfez, J. Dewulf, W. De Soete, T. Schaubroeck, F. Mathieux, D. Kralisch, S. De Meester, Toward a Framework for Resource Efficiency Evaluation in Industry: Recommendations for Research and Innovation Projects, Resources 2017, 6, 5.
• D. Kralisch, N. Minkov, A. Manent, E. Rother, L. Mohr, D. Schowanek, S. Sfez, A. A. Lapkin, M. Jones, S. De Meester, W. De Soete, J. Dewulf, V. Bach, M. Finkbeiner, P. Weyell, P. Yaseneva, H. Jeswani, A. Azapagic, G. Vanhoof, Roadmap for Sustainability Assessment in European Process Industries, Friedrich Schiller University, 2016

 

Dieses von der EU geförderte Verbundprojekt, eingebunden in das 7. Europäische Forschungsrahmenprogramm (Förderkennzeichen CP-IP 228853), verfolgte während einer Projektlaufzeit von 3,5 Jahren das Ziel der Entwicklung neuer Technologien, Prozesse und Fabrikationskonzepte für eine "Fabrik der Zukunft". Unter Koordination des IMM Mainz (Institut für Mikrotechnik Mainz) beteiligten sich 15 europäische Partner aus Industrie und Akademie an der Entwicklung neuer Konzepte der Prozessintensivierung, wobei durch geeignete Wahl und Optimierung der Reaktionsschritte und des Equipments, besonders unter Zuhilfenahme von Mikrostrukturreaktoren, neue Wege für eine zukünftige Wettbewerbsfähigkeit sowie ökologische Effizienz beschritten wurden.

Dabei konzentrierte sich die Forschung auf die Gebiete:

• Katalysatorentwicklung und -optimierung, speziell im Hinblick auf deren Einsatz in Mikrostrukturreaktoren,
  Prozessintensivierung, beispielsweise mittels neuer Prozessfenster,
• Design, Fertigung und Standardisierung modularer Mikroreaktoren bzw. Reaktorkonzepte,
• Entwicklung von Konzepten modularer Mini-Produktionsanlagen und Reaktoren und Umsetzung in Form einer multifunktionalen, in seiner Anwendung flexiblen Anlagenplattform im Containerformat ("Evotrainer") sowie industrielle Pilotversuche anhand von 5 industriell relevanten Applikationsbeispielen.

Die AG um D. Kralisch hatte hierbei die Aufgabe, die Umweltfreundlichkeit der entwickelten Prozesse zu bewerten und gemeinsam mit den Partnern zu optimieren. Zusammen mit dem IMM wurden die Entwicklungen im Rahmen dieses interdisziplinären Projektes daher sowohl hinsichtlich mittels LCA (Life Cycle Assessment) als auch Kostenanalysen begleitet, bewertet und optimiert, um so die Ökoeffizienz zu quantifizieren und nachhaltig zu verbessern. Durch die Entwicklung neuer Produktionsverfahren wurde eine Reduktion des Ressourcenaufwandes und der Kosten, und damit eine verbesserte Ökoeffizienz erreicht, die langfristig die ökonomische Wettbewerbsfähigkeit und Umweltfreundlichkeit der gewonnenen Produkte sicherstellt.

Die Arbeiten wurden gefördert durch das 7. Rahmenprogramm der EU [FP7/2007-2013]; CP-IP 228853-2

Weitere InformationenExterner Link
 
Referenzen

• V. Hessel, D. Kralisch, N. Kockmann, T. Nöel, Q. Wang, Novel Process Windows: Opening Chemical Paths, Acceleration of Reaction Rates, and Process Integration, ChemSusChem, 2013, 6, 5, 746-789
• I. Sell, D. Ott, D.Kralisch, Lebenszykluskostenanalyse zur Entscheidungsunterstützung in der chemischen Prozessentwicklung, , Chem. Ing. Tech., 2013, 85 (4), 447 - 454.
• D. Kralisch, Ch. Staffel , D. Ott , S. Bensaid, G. Saracco , P. Bellantoni, P. Loeb, Process design accompanying Life Cycle Management and Risk Analysis as decision support tool for green biodiesel production, Green Chem., 2013, 15, 463-477
• S. Kressirer, L.N. Protasova, M.H.J.M. de Croon, V. Hessel, D. Kralisch,Removal and renewal of catalytic coatings from lab- and pilot-scale microreactors, accompanied by life cycle assessment and cost analysis, Green Chem., 2012, 14, 3034 - 3046
• D. Kralisch, I. Streckmann, D. Ott, U. Krtschil, E. Santacesaria, M. Di Serio, V. Russo, L. De Carlo, W. Linhart, E. Christian, B. Cortese, M. H.J.M. de Croon, V. Hessel, Transfer of the Epoxidation of Soybean Oil from Batch to Flow Chemistry - Guided by Cost and Environmental Issues, ChemSusChem, 2012, 5, 300 - 311
• V. Hessel, J. Lang, D. Kralisch, CHEManager Europe 5-6 (2010) 7
• V. Hessel, D. Kralisch, U. Krtschil, Sustainability through Green Processing - Novel Process Windows intensify Micro and Milli Process Technologies, Energy Environ. Sci., 1, 2008, 467 - 478

Entwicklung eines kleintechnischen Verfahrens zur kontinuierlichen Gewinnung von bakteriell synthetisierter Nanocellulose

Bakteriell synthetisierte Nanocellulose ist ein hochleistungsfähiges Biopolymer, das in einem Schritt aus Zucker gewonnen werden kann. Das Material BNC besitzt eine Vielzahl von entscheidenden Vorteilen gegenüber pflanzlicher Cellulose und teilweise auch gegenüber synthetisch hergestellten Polymeren. Diese Vorteile betreffen nicht nur Anwendungen im technischen, sondern aufgrund seines Ursprunges auch im (bio)medizinischen Bereich:

• hohe Reinheit (frei von Lignin, Hemicellulosen, Pektin),
• in-situ Formbarkeit,
• hoher Polymerisations- und Kristallinitätsgrad,
• sehr große innere Oberfläche durch nanofasriges Netzwerk
• hohe mechanische Stabilität,
• steuerbare Bioabbaubarkeit,
• Erhöhung der Biegebruchfestigkeit und Elastizität synthetischer Polymere,
• Zug- und Reißfestigkeit sowie
• hohes Wasseraufnahme- und Wasserrückhaltevermögen.

BNC wird durch das Bakterium Gluconacetobacter an der Grenzfläche zwischen Luft/Nährmedium in Form von Vliesen gebildet und daher bis heute überwiegend mittels Standkultivierung gewonnen. Da es sich hierbei jedoch um eine sehr wenig automatisierte und flächenintensive Kultivierungsart handelt, ist diese für eine großtechnische Produktion nicht geeignet.
In einem von der Thüringer Aufbaubank und der Europäischen Union geförderten Verbundprojekt wurde ein effizientes, kontinuierliches Herstellungsverfahren, das sogenannte HoLiR-Verfahren, entwickelt und in den kleintechnischen Maßstab überführt. D. Kralisch und ihre Kollegin, N. Heßler, wurden hierfür mit dem Thüringer Forschungspreis 2012 ausgezeichnet.

Referenzen

• D. Kralisch and N. Hessler, Large Scale Production of BNC - State and Challenges, in F.M.P. Gama (Ed.): Bacterial Cellulose: A Sophisticated Multifunctional Material, 2012, CRC Press, ISBN 9781439869918  
• D. Kralisch, N. Hessler, D. Klemm, R. Erdmann, W. Schmidt,  White Biotechnology for Cellulose Manufacturing - The HoLiR Concept, Biotechnol. Bioeng., 2010, 105 (4) 740 - 747
• D. Kralisch, N. Heßler, D. Klemm, Method for the production of bacterially synthesized cellulose and cellulose-containing material in a planar form, WO 2010/028632
• W. Schmidt, N. Henkel, R. Erdmann, D. Kralisch, N. Hessler, Fermentation system for the production of bacterial cellulose or cellulosic surface materials, WO 2010/029044

Im Rahmen des interdisziplinären Projektes " NanocellCare" arbeiteten Wissenschaftler aus vier Fakultäten der Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie aus dem Universitätsklinikum Jena zusammen. Ziel der gemeinsamen Arbeiten war das systematische Screening von bakteriell synthetisierter Nanocellulose (BNC) in verschiedenen Modifizierungen für den Einsatz als aktive Wundauflage im Rahmen einer feuchten Wundversorgung chronischer Wunden. Durch ein erweitertes Verständnis hinsichtlich der Effektivität verschiedener Beladungstechniken, des Freisetzungsverhaltens verschiedener, etablierter Wirkstoffe, der Lagerstabilität, etc. wurde eine gezielte Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten dieses innovativen Biopolymers in der modernen Wundversorgung erreicht.

Das Vorhaben wurde durch das Thüringer Kultusministerium aus dem "Europäischen Fond für Regionale Entwicklung" unterstützt.

Referenzen

• A. Mueller, F. Wesarg, N. Hessler, F.A. Mueller, D. Kralisch, D. Fischer, Loading of Bacterial Nanocellulose Hydrogels with Proteins Using a High-Speed Technique, Carbohydr Polym 2014, 106, 410-413.
• S. Moritz, C. Wiegand, F. Wesarg, N. Hessler, F.A. Müller, D. Kralisch, U.C. Hipler, D. Fischer, Active wound dressings based on bacterial nanocellulose as drug delivery system for octenidine, Int J Pharm, 2014, 471, 45-55.
• A. Mueller, Z. Ni, N. Hessler, F. Wesarg, F.A. Mueller, D. Kralisch, D. Fischer, The Biopolymer Bacterial Nanocellulose as Drug Delivery System: Investigation of Drug Loading and Release using the Model Protein Albumin, J Pharm Sci, 2013, 102 (2) 579-592
• S. Berndt, F. Wesarg, Ch. Wiegand, D. Kralisch, F.A. Müller, Antimicrobial porous hybrids consisting of bacterial nanocellulose and silver nanoparticles, Cellulose, 2013 (20) 771-783
• D. Fischer & D. Kralisch, Bakterien helfen heilen - Bakterielle Nanocellulose als Arzneistoffträgersystem, DAZ, 2012, 36, 4310-4316
• F. Wesarg, F. Schlott, J. Grabow, H.-D. Kurland, N. Heßler, D. Kralisch, F.A. Müller, In situ Synthesis of Photocatalytically Active Hybrids consisting of Bacterial Nanocellulose and Anatase Nanoparticles, Langmuir, 2012, 28, 13518−13525

Partner

• Prof. Dr. Dagmar Fischer, Institut für Pharmazie, Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie
• PD Dr. Uta-Christina Hipler, Universitätsklinikum Jena, Klinik für Dermatologie und dermatologische Allergologie
• Prof. Dr. Frank A. Müller, Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie
• Prof. Dr. Roland Helm, Lehrstuhl für Allgemeine BWL sowie Absatzwirtschaft, Marketing und Handel

Mit Hilfe der Methodik der Ökobilanzierung wurde der Frage nachgegangen, inwieweit durch die Überführung chemischer Synthesen von der makro-skaligen diskontinuierlichen in die kontinuierliche Verfahrensweise im Mikrostrukturreaktor ökologische Vorteile erreicht werden können.

Als Beispielreaktion diente zum einen die zweistufige Herstellung von m-Anisaldehyd aus m-Bromanisol, die zum einen diskontinuierlich im Doppelmantelreaktor und zum anderen kontinuierlich im Cytos® Lab System der CPC Systems GmbH, durchgeführt wurde. Diese Synthese kann aufgrund ihrer starken Exothermie im herkömmlich eingesetzten Batch-Verfahren nur unter erheblichem Sicherheitsaufwand und mit einem hohen Bedarf an Kühlenergie durchgeführt werden. Die Wirkungsabschätzung hinsichtlich der aus beiden Alternativen resultierenden Umweltbelastungspotenziale ergab, exemplarisch aufgezeigt an der Synthese von m- Anisaldehyd, einen deutlichen ökologischen Vorteil der kontinuierlichen Synthese im Mikrostrukturreaktor. Dies ist insbesondere auf Energieeinsparungen, die Verringerung des Lösungsmittelbedarfes und auch auf eine Erhöhung der Ausbeute zurückzuführen.
Darüber hinaus wurden verschiedene Forschungsprojekte aus dem Bereich der Prozessintensivierung durch den Einsatz der Mikroreaktionstechnik (TRANSKAT, PIKOS, AMIKRO, Organische Halbleiter) entwicklungsbegleitend ökologisch bewertet. Dabei wurden bspw.  alternative Energieeintragsmöglichkeiten (z.B. MW, US, elektrische Heizung), extreme Reaktionsbedingungen, mehrphasige Reaktionssysteme oder alternative Reaktionsmedien (z.B. IL, Wasser, sCO2) gewählt und deren Einfluss auf die Ausbeute und Selektivität untersucht.

Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt für die finanzielle Unterstützung!

Referenzen

• S. Kressirer, D. Kralisch, A. Stark, U. Krtschil, V. Hessel, Agile green process design for intensified Kolbe-Schmitt synthesis by accompanying (simplified) life cycle assessment, Environ. Sci. Technol., 2013, 47 (10) 5362-5371.
• S. Hübner, S. Kressirer, D. Kralisch, C. Bludszuweit-Philipp, K. Lukow, I. Jänich, A. Schilling, H. Hieronymus, C. Liebner, K. Jähnisch, Ultrasound and Microstructures - A Promising Combination?, ChemSusChem, 2012, 5, 279 - 288.
• S. Huebschmann, D. Kralisch, H. Loewe, D. Breuch, J. Petersen, T. Dietrich, R. Scholz, Decision Support Towards Agile Eco-Design of Microreaction Processes by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment, Green Chem., 2011, 13 (7), 1694 - 1707.
• U. Krtschil, V. Hessel, P. Loeb; D. Reinhardt, S. Huebschmann, D. Kralisch, Tailor-made Microdevices for Maximizing Process Intensification and Productivity through Advanced Heating, Chem. Eng. J., 2011, 167, 510-518.
• Huebschmann S., Kralisch D., Breuch D., Loewe H., Scholz R., and Dietrich T., A Deliberate Green Process Design in Microstructured Reactors by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment, Chem. Eng. Trans., 2010, 21, 655-660.
• S. Huebschmann, D. Kralisch, V. Hessel, U. Krtschil, Ch. Kompter, Environmentally Benign Microreaction Process Design by Accompanying (Simplified) Life Cycle Assessment,Chem. Eng. Technol., 2009, 11, 1757-1765.
• A. Stark, S. Huebschmann, M. Sellin, R. Trotzki, D. Kralisch, B. Ondruschka, Microwave-Assisted Kolbe-Schmitt Synthesis Using Ionic Liquids or Dimcarb as Reactive Solvents, Chem. Eng. Technol., 2009, 11, 1730-1738.
• D. Kralisch, U. Krtschil, D.M. Roberge, V. Hessel, D. Schmalz, The Economic Potential of Micro Reaction Technology, in V. Hessel, A. Renken, J.C. Schouten, J. Yoshida (Ed.), Micro Process Engineering: A Comprehensive Handbook, Vol. C, Wiley-VCH, 2009.
• D. Kralisch, The Ecological Potential of Micro Reaction Technology, in V. Hessel, A. Renken, J.C. Schouten, J. Yoshida (Ed.), Micro Process Engineering: A Comprehensive Handbook, Vol. C, Wiley-VCH, 2009.
• D. Kralisch, G. Kreisel. Assessment of the Ecological Potential of Microreaction Technology, Chem. Eng. Sci., 2007 62 (4) 1094-1100.
• U. Krtschil, V. Hessel, D. Kralisch, G. Kreisel, M. Küpper, R. Schenk. Cost Analysis of a Commercial Manufacturing Process of a Fine Chemical using Micro Process Engineering, CHIMIA, 2006, 60 (9) 611-17.
• D. Kralisch, G. Kreisel. Bewertung der ökologischen Potentiale der Mikroverfahrenstechnik, Chem. Ing. Tech., 2005, 77, (6), 784-79.

Die Anforderungen an die europäische chemische Industrie steigen beständig. Durch die weltweite Eröffnung neuer Produktionskapazitäten mit niedrigeren Kostenstrukturen und durch steigende Rohstoffpreise und Energiekosten entsteht ein beträchtlicher Kostendruck für die Unternehmen. Auch ökologische Aspekte gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Diesen wachsenden Anforderungen widmete sich das EU-Projekt POLYCAT. POLYCAT verbindet Chemie, Katalysatoren und Ingenieurswesen und erarbeitet neue Reaktorkonzepte und Anlageplattformen für Pharmazie und Feinchemie.
Insgesamt 19 industrielle und akademische Partner beteiligten sich an der Entwicklung neuartiger polymerbasierter nanopartikulärer Katalysatoren und deren Nutzung in industrierelevanten Reaktionen. Durch die Kombination von Mikrofluidik und kompakten, intensivierten Anlagentechnologien wurde ein Quantensprung in der Industrieproduktion von Feinchemikalien angestrebt.
Neuartige hochaktive und hochselektive polymerbasierte nanopartikuläre Katalysatoren bildeten dabei die Basis für innovative chemische Prozessansätze im Rahmen des Projekts. Flankiert wurde dies durch die Nutzung der Mikroprozesstechnologie, welche sowohl die präzise Einstellung idealer Prozessbedingungen ermöglicht als auch höhere Produktionsdurchsätze in Aussicht stellt. Schließlich wurden die Entwicklungen in einer multi-funktionalen, kompakten containerartigen Anlageninfrastruktur zusammengeführt.
Die Arbeitsgruppe um D. Kralisch war für die entwicklungsbegleitende Ökobilanzierung verantwortlich und stellte so die Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Neuntwicklungen sicher.

Die Arbeiten zu diesem Projekt wurden gefördert durch das 7. Rahmenprogramm der EU [FP7/2010-2014]; CP-IP 246095-2.
 
Referenzen

• Kralisch, D.; Ott, D.; Gericke, D., Rules and Benefits of Life Cycle Assessment in Green Chemical Process and Synthesis Design: A Tutorial Review. Green Chem 2015, 17, (1), 123-145. 
• Gericke, D.; Ott, D.; Matveeva, V. G.; Sulman, E.; Aho, A.; Murzin, D. Y.; Roggan, S.; Danilova, L.; Hessel, V.; Loeb, P.; Kralisch, D., Green catalysis by nanoparticulate catalysts developed for flow processing? Case study of glucose hydrogenation. RSC Advances 2015, 5, (21), 15898-15908.
• Ott, D.; Kralisch, D.; Denčic, I.; Hessel, V.; Laribi, Y.; Perrichon, P. D.; Berguerand, C.; Kiwi-Minsker, L.; Loeb, P., Life Cycle Analysis within Pharmaceutical Process (Re)-Design and Intensification: Case Study of an Established API Production Process. ChemSusChem 2014, 7, (12), 3521-3533.
• Dencic, I.; Ott, D.; Kralisch, D.; Noel, T.; Meuldijk, J.; De Croon, M.; Hessel, V.; Laribi, Y.; Perrichon, P., Eco-efficiency analysis for intensified production of an active pharmaceutical ingredient: A case study. Organic Process Research & Development 2014, 18, (11), 1326-1338.