Hochschule Reutlingen
Studierende am PAT Lehr- und Forschungsinstitut
Studierende am PAT Lehr- und Forschungsinstitut

Process Analysis & Technology

Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie werden in innovativen Projekten maßgeschneiderte Lösungen entwickelt, die dazu beitragen, technische Prozesse und Produkte leistungsfähiger, effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Forschungsschwerpunkte

Das Zentrum der Forschung stellt den Kondensationskern für die Materialforschung und der 100% Echtzeitqualitätskontrolle an der Hochschule dar. Die Forschungsschwerpunkte des PA&T-Zentrums reichen von der Polymertechnologie, Surface Design, Prozessanalytik und Spektralem Imaging bis hin zu der Grünen Verfahrenstechnik.

Spektroskopie

Schwerpunkt der Abteilung Prozessanalytik ist die optische Spektroskopie in ihrer gesamten Breite in Verbindung mit der multivariaten Datenanalyse.

Spectral Imaging

Hyperspektrales Imaging ist ein bedeutendes Wachstumsfeld innerhalb der Bildverarbeitungsbranche.

Polymer Technologie

Das Forschungsinteresse gilt der Entwicklung, der Modifizierung und der Charakterisierung von Biomaterialien.

Grüne Verfahrenstechnik

Das Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung innovativer Konzepte zur Steigerung der Zirkularität von Stoffströmen

Surface Design

Surface Design umfasst: Synthese von funktionellen Partikeln, Fortschrittliche Materialien (etc.), Inline-Spektroskopie, Reaktionskalorimetrie (etc.).

Übersicht Forschungsschwerpunkte und Ansprechpersonen

Spektroskopie: Prof. K. Rebner und/ oder Prof. M. Brecht

Spectral Imaging:  Prof. M. Brecht und/ oder Prof. K. Rebner

Polymer Technologie: Prof. G. Lorenz

Green Process Engineering: Prof. D. Almeida Streitwieser

Surface Design: Prof. A. Kandelbauer

Spektroskopie

Schwerpunkt der Abteilung Prozessanalytik ist seit langem die optische Spektroskopie in ihrer gesamten Breite (UV/VIS, NIR, IR, Raman, Fluoreszenz) in Verbindung mit der multivariaten Datenanalyse, wobei alle Spektroskopie-Techniken zur Verfügung stehen.

Wesentlicher Entwicklungsschwerpunkt der letzten Jahre ist die Weiterentwicklung der ortsaufgelösten und multimodalen Techniken der Spektroskopie von Flüssigkeiten und Festkörpern. Es sind eine Reihe von Veröffentlichungen in diesem Bereich entstanden, die unsere Expertise darstellen.
 

Arbeitsgebiete

  • UV-VIS-NIR-MIR - Spektroskopie an Festkörpern und Flüssigkeiten
  • Anregung / Emissionsspektroskopie (3D-Fluoreszenz)
  • Analyse von direkter und diffuser Transmission/Reflexion, ATR, Emission
  • Spektroskopie an mikroskopischen Strukturen

Ansprechpartner für diesen Bereich sind Herr Prof. K. Rebner und/ oder Herr Prof. M. Brecht.

Spectral Imaging

Ein bedeutendes Wachstumsfeld innerhalb der Bildverarbeitungsbranche ist die hyperspektrale Bildgebung, die gleichzeitig räumliche und spektrale Daten von Objekten aufnimmt und so auch neben morphologischen Änderungen in den Bilddaten die dazugehörigen chemischen Informationen bereitstellen kann. Mit Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs wie Infrarot-Licht lassen sich Vorhersagen zur chemischen Verteilung und Konzentration realisieren. Die Output-Information einer solchen Kamera weist einen deutlich höheren Komplexitätsgrad auf, ermöglicht aber auch eine viel höhere Diversität und Selektivität hinsichtlich lösbarer Anwendungen.

Ansprechpartner für diesen Bereich sind Herr Prof. M. Brecht und/ oder Herr Prof. K. Rebner.

Polymer Technologie

Der Schwerpunkt liegt auf Polyurethanen, Polyamiden und Polyestern für den Einsatz in biomedizinischen und technischen Anwendungen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Synthese von Polymeren mittels "Reaktiver Extrusion" für Nischenanwendungen.

Zusammengefasst:

  • Reaktive Extrusion
  • Biomaterialien/Medizintechnik
  • Oberflächenmodifizierung

Ansprechpartner für diesen Bereich ist Herrn Prof. G. Lorenz.

Grüne Verfahrenstechnik

Das Forschungsschwerpunkt gilt der Entwicklung von (bio-)chemischen, thermischen und mechanischen Technologien zur Revalorisierung und Verwertung von Sekundärrohstoffe in erneuerbaren und alternativen Energiequellen sowie in der Herstellung nachhaltiger Materialien und grüner Chemikalien.

Im experimentellen Bereich beschäftigen wir uns intensiv mit der Untersuchung von

  • anaeroben und alkoholischen Fermentationsprozessen,
  • schnellen und langsamen Pyrolyseverfahren
  • sowie mechanischer und (bio-)chemischer Aufbereitung.

Das Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung innovativer Konzepte zur Steigerung der Zirkularität von Stoffströmen durch chemisches Recycling, Bioraffinerie-Konzepte, Zero-Waste-Strategien, Lebenszyklusanalysen und Mobilität von Umweltchemikalien. Diese Ansätze sollen dazu beitragen, die Bioökonomie zu stärken und die Kreislaufwirtschaft zu fördern.

Ansprechpartnerin ist Frau Prof. Daniela Almeida Streitwieser

Surface Design

  • Synthese von funktionalen Partikeln (organische, anorganische, insbesondere Silica-Partikel mit maßgeschneiderter 3D Morphologie für verschiedene Anwendungen in der Analytik, Medizintechnik und im technischen Bereich)
  • Advanced Materials, selbstheilende Oberflächen, funktionale Oberflächen
  • Inline-Spektroskopie zur Reaktionsverfolgung, und Reaktionskinetik
  • Reaktionskalorimetrie, Echtzeitreaktionskalorimetrie, Thermoanalyse, Modellierung von Zersetzungs- und Aushärtungsreaktionen

Ansprechpartner für diesen Bereich ist Herr Prof. A. Kandelbauer.

“Prozessanalytik spielt heute in vielen Industrien eine wegweisende und zentrale Rolle, indem sie nicht nur die Effizienz und Produktivität von Fertigungsprozessen maßgeblich beeinflusst, sondern auch als Schlüsselelement für Qualitätssicherung und Nachhaltigkeit fungiert.” — Prof. K. Rebner (Leiter PA&T-Zentrum)

“Each photon counts!” — Prof. M. Brecht

"Durch die Entfaltung des Potenzials von Sekundärrohstoffen in hochwertigen Produkten gestalten wir eine grünere und kreislauforientierte Zukunft. Durch innovative Prozessentwicklung erschließen wir das Potenzial von Restrohstoffen, um Wege zu nachhaltigen Lösungen zu finden und einen positiven Wandel für kommende Generationen zu bewirken." —  Prof. Almeida Streitwieser

Alle Forschungsprojekte im Überblick

 

Unsere Projekte

Verfügbare Technik

Nanoscribe Drucker
3-D Druck

Nanoscribe PhotonicProfessional GTTechnologie

3-D Druck

Selbsthergestelltes Spritzgußwerkzeug

Optical Spectroscopy - UV/VIS - NIR

Desktop-Spektrometer Lambda 1050 von Perkin Elmer

Optical Spectroscopy - FT- MIR / NIR

FTIR-Spektrometer Perkin Elmer Frontier

Optical Spectroscopy - Fluoreszenz

Fluorolog 3 von Horiba

Optical Spectroscopy - Inline

Raman-System RXN1 von Kaiser Optical Instruments

Microscopic Analysis

Image Analysis

SNOM-Aufbau mit SIL im Mikroskop Witec alpha300
Nanoscopic Analysis

Witec alpha300

Chemical Imaging

Chemical Imaging

Chemometrie und Biometrie

Data-Analysis

    Nanoscribe PhotonicProfessional GTTechnologie

    Der Nanoscribe Photonic Professional GT2 ist der 3D-Drucker mit der weltweit höchsten Auflösung in der Nano- und Mikrofabrikation. Er genügt daher den höchsten Anforderungen beim Druck von kleinsten 3D-Präzisionsteilen bei gleichzeitig ausgezeichneter Formgenauigkeit.

    Spritzgußverfahren für Rapid Prototyping

    Der Prozess besteht aus der Kombination des Mikro- und Nano-3D-Druckes mit zwei Lithografischen Abformungsmethoden.

    Der 3D-Druck dient im ersten Schritt der Strukturierung und Formgebung der Oberflächen. Aufgrund der additiven Fertigungstechnik lassen sich praktisch fast alle Oberflächenstrukturen verwirklichen. Lediglich auf überhängende Strukturelemente muss aufgrund der nachfolgenden Abformungsschritte verzichtet werden. Durch die anschließenden Abformungen der 3D-Druck Strukturen wird ein strukturierter Werkzeugeinsatz erhalten der in einem nachfolgenden Schritt im Mikrospritzguss verwendet werden kann um die Oberfläche thermoplastischer Polymere zu strukturieren.

    Durch die Wiederverwendbarkeit des Werkzeugeinsatzes im Spritzguss lässt sich die Struktur innerhalb kurzer Zeit auf eine Vielzahl von Bauteilen übertragen. Somit lassen sich innerhalb kürzester Zeit Stückzahlen erreichen, die mit dem ursprünglichen 3D-Druck nicht realisierbar wären.

    UV/VIS - NIR

    Absorptionsspektren von Festkörpern und Flüssigkeiten können mit dem Desktop-Spektrometer Lambda 1050 von Perkin Elmer gemessen werden, wobei Extinktionen bis zu 4 in einem Wellenlängenbereich vom UV bis zum langwelligen NIR detektiert werden können. Eine Ulbrichtkugel kann in das Spektrometer integriert werden, um sowohl die spiegelnde und diffuse Reflexion als auch die Transmission zu messen.

    FTIR-Spektrometer

    IR-Spektren werden mit einem FTIR-Spektrometer Perkin Elmer Frontier gemessen. Die Probe kann in Transmission oder im ATR-Modus gemessen werden.

    Optical Spectroscopy - Fluoreszenz

    Das Fluoreszenz Spektrometer Fluorolog 3 von Horiba ermöglicht Fluoreszenz-messungen in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 700 nm. Die Emissionsspektren können von 300 bis 1000 nm mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 4000:1 aufgenommen werden. Dieses System ermöglicht die Messung von 3D-Spektren durch sukzessives Scannen durch die Anregungswellenlängen.

    Optical Spectroscopy - Inline

    Das Raman-System RXN1 von Kaiser Optical Instruments kann für Inline-Messungen zur Analyse und Überwachung chemischer Prozesse eingesetzt werden. Darüber hinaus können Feststoffe, Pulver, Gele und Flüssigkeiten mit verschiedenen Sonden online gemessen werden.

    Image Analysis

    Die mikroskopischen Methoden reichen von der Dunkelfeld-/Hellfeldmikroskopie über Polarisations- und inverse Mikroskopie bis hin zu Techniken wie differentiellem Interferenzkontrast (DIC) oder zirkularer Polarisation (CP). Die integrierte Software quantifiziert die morphologischen Strukturen. So berechnet der Computer z.B. Verteilungen oder Feinheit von Faserbündeln oder Korrosionsflächen.

    Nanoscopic Analysis

    SNOM-Aufbau mit SIL im Mikroskop Witec alpha300
    Atomic Force Microscopy (AFM)
    Scanning Nearfield optical Microscopy (SNOM)
    Scanning Nearfield Optical Spectroscopy (SNOS)

    Unser einzigartiges, multimodales Mikroskopiesystem ermöglicht AFM, SNOM und SNOS in verschiedenen Modi und Kombinationen:
    - Verwendung von aperturlosen Sonden (SIL) oder aperturbasierten Sonden (Pinhole-Pyramiden)
    - Messung in Reflexion oder in Transmission
    - SNOS: VIS-, NIR-, Raman-, Rückstreu- und Fluoreszenz-Spektroskopie

    Die Kombination von AFM-, Nahfeld- (SNOM, SNOS) und Fernfeld-Techniken (z.B. Raman Imaging, konfokale Mikroskopie) auf demselben Gerät erlaubt es uns, dieselbe Probenposition mit verschiedenen Messaufbauten zu analysieren.

    Einteilung von CI-Systemen

    Chemical Imaging (CI) kombiniert verschiedene Technologien wie optische Mikroskopie, digitale Bildgebung und molekulare Spektroskopie in Kombination mit multivariaten Datenanalysemethoden. CI-Systeme lassen sich in Whiskbroom- (Mapping), Staring- (2D-Wellenlängen-Scanning) und Pushbroom- (Linienscanning mit spektraler Dispersion) Imager einteilen. Das Konzept lässt sich über einen breiten spektroskopischen Bereich von UV-VIS-NIR, Fluoreszenz, IR und Raman anwenden.

    Methoden der Data-Analysis

    Nach der Sammlung der spektroskopischen Daten werden verschiedene Strategien angewandt, um die wichtigsten und grundlegendsten Informationen aus einer großen Datenmenge zu extrahieren. Zur Auswahl oder Gestaltung der Probe und des Datensatzes wird ein experimentelles Design verwendet. Die aufgezeichneten Daten werden illustriert, ausgewertet, zusammengefasst und sorgfältig überprüft. Auf der Grundlage eines anerkannten Musters wird ein Kalibrierungsmodell berechnet und getestet, d. h. auf einen anderen Satz von Proben angewendet. Wenn dieser Test vernünftige Ergebnisse liefert, wird das Modell verifiziert und schließlich verallgemeinert, um den Anforderungen in der "realen Welt" an der Produktionslinie gerecht zu werden.

    Zusätzlich dient dieses grundlegende Modell als Leitlinie für den Entwurf und Aufbau eines Überwachungssystems für die Online- oder In-situ-Prozesskontrolle.

    Prozessanalyse-Werkzeuge

    • Korrelations- und Regressionsmethoden
    • Unscrambler, Design Expert, SPSS, SIMCA
    • Zeitreihen, Datenvisualisierung
    • MatLab - Werkzeugkasten, PLS - Werkzeugkasten

    Analyse, Modellierung und Simulation (Auswahl)

    • Principal Component Analysis (PCA)
    • Partial Least Square Regression (PLS)
    • Multivariate Curve Resolution (MCR)
    • Neuronal Networks (Kohonen, RBF)
    • Clustering (hierarchical, K-mean)

    Evolving Factor Analysis (EFA) und Multivariate Kurvenauflösung (MCR)

    EFA und MCR sind Verfahren, die die Anzahl der relevanten chemischen Verbindungen bzw. deren Konzentration direkt aus den Reaktionsspektren berechnen.

    Team

    Hinter jedem Forschungsprojekt steht ein starkes Team. Erfahren Sie mehr über die Professorinnen und Professoren sowie die Mitarbeitenden im Forschungszentrum Process Analysis & Technology.

     

    Das Team stellt sich vor!