月: 2023年4月

Was ist eine Schwabbelmaschine?

Eine Schwabbelmaschine ist eine Art von Poliermaschine, die hauptsächlich für die Oberflächenbearbeitung von rostfreiem Stahl verwendet wird.

Sie können die Oberfläche reinigen und Verunreinigungen wie Grate und Späne entfernen. Der Einsatz von Schwabbelmaschinen spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Verbesserung der Qualität und Ästhetik von Produkten.

Das Schwabbeln dient mehreren Zwecken, aber die beiden wichtigsten sind die Reinigung der Oberfläche und die Entfernung von Graten, Spänen usw. Es ist wichtig, die Rauheit des Schwabbelns entsprechend dem Zweck zu wählen. Wenn die Rauheit des Schwabbelns nicht angemessen ist, kann dies die Effizienz des Vorgangs verringern oder die Qualität des Produkts beeinträchtigen.

Bei der Arbeit ist es wichtig, die optimale Rauheit des Schleifmittels zu wählen und die Schwabbelmaschine mit dem richtigen Druck und der richtigen Geschwindigkeit zu betreiben. Die Wartung der Schwabbelmaschine ist ein weiterer wichtiger Faktor, und eine regelmäßige Kontrolle und Wartung der Maschine trägt dazu bei, ihre Leistungsfähigkeit langfristig zu erhalten.

Anwendungen von Schwabbelmaschinen

Schwabbelmaschinen werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, vor allem für rostfreien Stahl. Sie können jedoch auch für andere Metalle als Edelstahl, wie Aluminium und Titan, sowie für Acryl- und ABS-Harz verwendet werden.

Metallbearbeitungsprodukte enthalten Grate, Späne, Öl, Schmutz und andere Ablagerungen, die während der Bearbeitung entstanden sind und die entfernt werden müssen, bevor sie als Produkte versandt werden können. Eine Oberflächenbehandlung mit einer Schwabbelmaschine kann diese Probleme lösen und zu einem schönen Endprodukt führen.

Das Schwabbeln glättet Unebenheiten der Oberfläche, die in den vorangegangenen Prozessen, wie Grobschliff und Zwischenschliff, nicht poliert werden konnten, und entfernt den Schmutz. Es eignet sich daher für das letzte Verfahren unter den Oberflächenbehandlungen. Das Hochglanzpolieren, das mit Schwabbelmaschinen durchgeführt wird, ist in vielen Industriezweigen wichtig, da es nicht nur zur Ästhetik eines Produkts beiträgt, sondern auch zu dessen Funktionalität und Haltbarkeit.

Sie wird in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, bei Baumaterialien und Haushaltsgeräten, und ihre Anwendungsmöglichkeiten werden täglich erweitert. Durch die Anwendung optimaler Poliermethoden und Pflegemaßnahmen können hochwertige Oberflächen erzielt und der Wert des Produkts gesteigert werden.

Funktionsweise von Schwabbelmaschinen

Schwabbeln ist eine Oberflächenbehandlung, bei der ein Schwabbel aus Baumwolle, Filz, Wolle oder Schwamm in Rotation versetzt und auf den Gegenstand aufgebracht wird, um die Oberfläche zu polieren. Es handelt sich dabei um ein sehr heikles Verfahren, da das Ergebnis schon durch eine geringe Kraftanstrengung oder ein Verschwimmen der Polierposition während des Polierens beeinträchtigt werden kann.

Die Rauheit des Polierens wird durch eine Zahl unterschieden, und je höher diese Zahl ist, desto feiner ist im Allgemeinen das Polieren. Normalerweise erfolgt das Polieren in mehreren Stufen, beginnend mit einer groben Nummer bis hin zu einer feinen Nummer.

Arten des Polierens

Die Art des Polierens und die Wahl der richtigen Schwabbel- und Schleifmittel müssen entsprechend der gewünschten Oberflächengüte ausgewählt werden. Es gibt vier Hauptarten des Schwabbelns, die sich nach der angestrebten Oberflächenrauheit richten:

1. Grobes Schwabbeln

Diese Methode eignet sich für unebene oder zerkratzte Metalloberflächen und verwendet feinkörnige Schwabbel wie Schmirgelschwabbel, um eine angestrebte Oberflächenrauheit von 2 µm Rz und einen gewissen Grad an Sauberkeit zu erreichen. Die Verwendung einer relativ grobkörnigen Hanfschwabbel ist geeignet.

2. Mittleres Schwabbeln

Bei diesem Schwabbelverfahren wird die Metalloberfläche nach dem Vorpolieren auf eine Soll-Rauhigkeit von 0,3-0,6 µmRz bearbeitet. Je nach Material sollten unterschiedliche Schwabbel verwendet werden, wobei Sisalschwabbel für harte Materialien wie Edelstahl und Baumwollschwabbel für relativ weiche Materialien wie Messing und Aluminium geeignet sind.

Da eine leicht glänzende Oberfläche erzielt wird, können Edelstahl und Teile, die in einem späteren Prozess beschichtet werden sollen, hier ein letztes Mal bearbeitet werden.

3. Fertigschwabbeln

Dieses Schwabbelverfahren wird eingesetzt, um eine Soll-Rauhigkeit von 0,2 µm Rz oder besser zu erreichen und wird als Semi-Spiegel-Schleifen bezeichnet. Es wird eine Polierpaste mit einer hohen Nummer (#600 bis #800) verwendet, und Schleifmittel wie Chromoxid oder Schleifmittel auf Aluminiumoxidbasis sind geeignet.

Bei der Auswahl des Schwabbelmaterials und des Schleifmittels ist Vorsicht geboten, da die Beurteilung der Qualität des Glanzes und des Zustands der Schwabbelkratzer sehr streng ist. Geeignet sind Stoffschwabbeln oder Wollschwabbeln aus weichen Materialien wie Handtüchern oder schlecht lackiertem Stoff. Für die Autowachsung eignet sich z. B. ein Schwammschwabbel mit weicher Oberfläche.

4. Hochglanz

Hierbei handelt es sich um ein Schwabbelverfahren, mit dem nach dem Endpolieren eine Oberflächenrauheit von 0,1 µm Rz oder besser erreicht werden soll. Bei diesem Schwabbelverfahren wird die Metalloberfläche mit einer Polierscheibe Nr. 800 auf eine saubere Spiegeloberfläche poliert.

Sie ist so sorgfältig poliert, dass die Landschaft ohne Schwabbelkratzer deutlich sichtbar ist, und zeichnet sich außerdem durch ihre hervorragenden Sterilisations- und Reinigungseigenschaften aus. Geeignet sind weiche Stoff- oder Wollschwabbeln.

Weitere Informationen über Schwabbelmaschinen

1. Vorteile von Schwabbelmaschinen

Diffuse Reflexionen werden reduziert
Oberflächenvorbereitungsmethoden, die nicht für eine ausreichend glatte Oberfläche sorgen, führen zu diffusen Reflexionen. Beim Schwabbeln hingegen wird die Oberfläche spiegelglatt bearbeitet, so dass diffuse Reflexionen unterdrückt werden können.

Verbesserte Produktpräzision
Durch das Schwabbeln werden Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche verringert und somit die Präzision des Produkts verbessert.

2. Automatische Schwabbelmaschinen

Bei kleinen oder komplexen Formen erfolgt das Schwabbeln durch die Bedienung des zu schwabbelnden Objekts oder der Schwabbelmaschine, wobei die erforderlichen Flächen manuell von einem Arbeiter gereinigt werden. Diese Methode hat den Vorteil, dass jeder Gegenstand sorgfältig poliert werden kann, hat aber den Nachteil, dass die Produktivität bei Massenprodukten geringer ist.

Für Massenprodukte mit einfachen Formen und relativ flachen Oberflächen sind automatische Schwabbelmaschinen weit verbreitet, die entweder den zu polierenden Gegenstand oder die Schwabbelmaschine automatisch bedienen und bearbeiten. Automatische Schwabbelmaschinen werden zum Beispiel für flache Materialien wie Edelstahlbleche, zylindrische Gegenstände wie Edelstahlstangen und relativ einfache Formen mit vielen flachen Oberflächen wie Gitarren verwendet.

Was ist ein Becherwerk?

Ein Becherwerk ist ein Gerät, das Pulver und andere Materialien nach oben hebt und in ein Silo oder ein Förderband entlädt. Ein Becherwerk ist ähnlich wie ein Becherwerk, aber ein Becherwerk, das vertikal fördert, wird als Becherwerk bezeichnet.

Flüssigkeiten wie Wasser können gepumpt werden, aber Feststoffe können nicht gepumpt werden. Um Feststoffe zu transportieren, werden sie von Bechern aufgenommen und wie ein Aufzug nach oben befördert, um z. B. von einer Maschine verarbeitet zu werden.

Einsatzgebiete von Becherwerken

Becherwerke werden eingesetzt, um Feststoffe vertikal zu heben und zu transportieren. So werden sie in Fabriken zum Verladen von Rohstoffen in Maschinen und in Bergwerken zum Verladen von abgebautem Erz auf Förderbänder verwendet.

Die beförderten Materialien reichen von Körnern wie Reis und Weizen bis hin zu Sojabohnen und Viehfutter. Größe, Form und Material der Schaufel hängen von der Menge und dem zu transportierenden Material ab, ebenso wie die Entleerungsmethode, mit der das Material nach dem Transport entladen wird. Bei der Entleerung kann nicht das gesamte Fördergut vollständig entleert werden, und ein Teil verbleibt im Becher.

Das Prinzip des Becherwerks

Bei Kettenbecherwerken wird eine Kette zum Anheben des Bechers verwendet, und der Becher ist an einem an der Kette befestigten Aufsatz angebracht. An dieser Kette ist eine Reihe von Bechern befestigt, und die Kette dreht sich auf und ab, um den Becher anzuheben.

Die Becher schaufeln das vom Förderband transportierte Fördergut auf und heben es an.

Der Becher besteht aus Metall, das stark genug ist, um z. B. schwere Erze zu transportieren. Neben Metall gibt es auch Becher aus Nylon und Polyethylen, die säurehaltige Stoffe transportieren können, die Metall korrodieren lassen.

Beim Transport von Pulver besteht die Gefahr einer Staubexplosion. Je kleiner die Partikelgröße des Pulvers ist, desto mehr Oberfläche hat es, so dass es sofort zu Reaktionen kommen kann. Im schlimmsten Fall kann z. B. Eisenpulver explodieren, aber auch Mehl kann unter ungünstigen Bedingungen eine Staubexplosion verursachen, weshalb für Pulver manchmal Vorkehrungen zur Staubexplosion getroffen werden.

Was ist ein Biomasse-Heizkessel?

Biomasse-Heizkessel sind Wärmequellen, die Industrieabfälle wie Holzabfälle, Papierabfälle und Altreifen als Brennstoff für die Erzeugung von Dampf und Heißwasser verwenden.

Verwendungszwecke von Biomasse-Heizkesseln

Biomasse-Heizkessel werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Eine der typischsten Anwendungen ist die Stromerzeugung in kleinen Anlagen.

Bei Stromerzeugungsanlagen mit Biomasse-Heizkesseln wird der Biomasse-Heizkessel zur Erzeugung von Dampf oder Gas genutzt, der dann eine Turbine im Generator in Drehung versetzt, um Strom zu erzeugen. Ein Biomasse-Heizkessel, der Dampf erzeugt, kann beispielsweise etwa vier Tonnen Dampf pro Stunde produzieren, der die Turbine des Generators zur Erzeugung von 300 Kilowatt Strom antreibt.

Neben Dampf können Biomasse-Heizkessel auch Heißwasser erzeugen, das zur Beheizung landwirtschaftlicher Anlagen und zur Versorgung von Thermalbädern mit Heißwasser verwendet wird. Biomasse-Heizkessel werden auch in einer Vielzahl von Anlagen installiert, z. B. als Dampf-, Heißwasser- und Warmwasserquelle in großen Chemieanlagen und als Wärmequelle für Trocknungsanlagen in Sägewerken.

Das Prinzip von Biomasse-Heizkesseln

Biomasse-Heizkessel lassen sich in drei Hauptverbrennungsmethoden unterteilen: direkte Verbrennung, Pyrolysevergasung und biochemisches Gas. Biomasse-Heizkessel jeder Methode werden für die Stromerzeugung eingesetzt.

1. Systeme mit direkter Verbrennung

Direktverbrennungsanlagen erzeugen Dampf und Heißwasser durch die direkte Verbrennung von Biomassebrennstoffen wie Hackschnitzel, Durchforstungsholz und brennbarem Abfall. Wenn ein Biomasse-Heizkessel dieser Methode als Generator eingesetzt wird, treibt der im Biomasse-Heizkessel erzeugte Dampf eine Turbine zur Stromerzeugung an.

2. Pyrolyse-Vergasungssysteme

Pyrolyse-Vergasungsanlagen verwenden Holzhackschnitzel, durchforstetes Holz und brennbare Abfälle als Brennstoff und erzeugen Gas durch Erhitzung statt durch direkte Verbrennung. Wenn ein Biomasse-Heizkessel dieser Art als Stromerzeuger eingesetzt wird, wird das erzeugte Gas zum Antrieb einer Gasturbine zur Stromerzeugung verwendet.

3. Biochemisches Gasverfahren

Biochemische Gassysteme verwenden Viehdung, Lebensmittelabfälle oder Klärschlamm als Brennstoff. Die Besonderheit ist, dass diese nicht verbrannt, sondern vergoren werden. Bei der Fermentierung entsteht brennbares Biogas wie Methan, das zur Erzeugung von Dampf und Heißwasser verbrannt wird. Wenn ein solcher Biomasse-Heizkessel als Stromerzeuger eingesetzt wird, wird das erzeugte Gas zum Antrieb einer Gasturbine verwendet, um Strom zu erzeugen.

Ein wesentliches Merkmal von Biomasse-Heizkesseln ist, dass sie als Brennstoff etwas direkt aus der Biosphäre und nicht fossile Brennstoffe verwenden. Das bedeutet, dass das von den Holzspänen und anderen als Brennstoff verwendeten Materialien absorbierte Kohlendioxid und das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid als plus oder minus Null betrachtet werden, wodurch eine “Kohlenstoffneutralität” erreicht wird.

Weitere Informationen zu Biomasse-Heizkesseln

1. Zu beachtende Punkte bei der Einführung eines Biomasse-Heizkessels für Holz

Bei der Einführung eines Biomasse-Heizkessels für Holz sind drei Punkte zu beachten: Brennstoffkosten, Ausrüstungskosten und Entsorgung der Verbrennungsasche. Diese werden nacheinander erläutert.

Brennstoffkosten
Biomasse-Heizkessel für Holz haben angeblich niedrigere Brennstoffkosten als Kessel für fossile Brennstoffe. Der Brennstoff kann aus der Forstwirtschaft, der verarbeitenden Industrie (Holzverarbeitung), dem Baugewerbe (vor allem dem allgemeinen Hausbau) und der industriellen Abfallentsorgung stammen.

Kosten der Ausrüstung
Der geringere Heizwert von Holzbrennstoffen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen und die unterschiedlichen Qualitäten von Holzbrennstoffen bedeuten, dass die Ausrüstungskosten für einen Biomasse-Heizkessel für Holz höher sind, um die gleiche Leistung zu erzielen. Um den Einsatz dieser Kessel in Zukunft zu fördern, ist es wünschenswert, die staatlichen Subventionen sowie die technischen Verbesserungen auszubauen.

Beseitigung der Verbrennungsasche
Bei der Verbrennung von Holzbrennstoffen fällt Asche an, die etwa 10 % des eingesetzten Brennstoffs ausmacht. Nach japanischem Recht wird die Verbrennungsasche als Industrieabfall eingestuft. Dies wirft die Frage nach einer kostspieligen Entsorgung der Verbrennungsasche auf. Die tatsächliche Entscheidung darüber bleibt jedoch den einzelnen Gemeinden überlassen, die unterschiedliche Entscheidungen treffen.

2. Brennstoff für Biomasse-Heizkessel aus Holz

Zu den Brennstoffen für Biomasse-Heizkessel aus Holz gehören Scheitholz, Holzspäne und Holzpellets. Brennholz ist definiert als Holz, das aus Stämmen in handliche Größen geschnitten und getrocknet wurde, um die Verbrennungseffizienz zu erhöhen. Holzhackschnitzel sind zerkleinerte Holzabfälle aus der Forstwirtschaft, der verarbeitenden Industrie und dem Baugewerbe, die leichter zu transportieren sind als Brennholz.

Holzpellets werden aus Holzspänen, Sägemehl usw. hergestellt, die in kleinere Stücke geformt und für eine bessere Verbrennung verarbeitet werden. Die Preise variieren je nach der Anzahl der Arbeitsstunden, die für die Verarbeitung erforderlich sind.

3. Potenzial von Biomasse-Heizkesseln aus Holz

Biomasse-Heizkessel aus Holz fallen in die gleiche Kategorie erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie. Der Vorteil gegenüber anderen erneuerbaren Energien ist, dass sie nicht von den Witterungsbedingungen beeinflusst werden. Wenn die Brennstoffbeschaffung und andere Probleme gelöst werden können, handelt es sich um eine sehr vielversprechende Energiequelle.

Was ist ein Bioreaktor?

Bioreaktoren lassen sich ins Japanische als biologische Reaktionsgeräte übersetzen und gehören zum Bereich der Biotechnologie. Bioreaktoren sind Systeme, die die Mechanismen chemischer Reaktionen in lebenden Organismen, wie z. B. Enzyme und Zellen, nutzen, um industriell nutzbare Stoffe usw. herzustellen, und die in der Lebensmittelindustrie, der Landwirtschaft, der Industrie, der Medizin, der Analyse und anderen Bereichen weit verbreitet sind.

In-vivo-Reaktionen haben zwar den Nachteil, dass sie langsamer ablaufen als chemische Reaktionen, bieten aber andere Vorteile, wie z. B. weniger Nebenprodukte und keinen Verlust an katalytischer Aktivität, und sind zudem kostengünstiger, da sie ohne hohe Temperaturen und Drücke ablaufen können, so dass keine druck- und hitzebeständige Ausrüstung erforderlich ist.

Verwendungszwecke von Bioreaktoren

Bioreaktoren werden von den Menschen seit der Antike verwendet. Dazu gehören Miso, Sojasauce, Sake und Wein, die durch die Reaktion von Hefe und Hefe mit den Rohstoffen, wie Sojabohnen, Reis und Fruchtsaft, hergestellt werden.

In der heutigen Zeit ist die Forschung und Entwicklung verschiedener Bioreaktoren-Technologien entsprechend ihren Eigenschaften und Verwendungszwecken fortgeschritten. So hat beispielsweise die Immobilisierung von Enzymen (die sie für eine wiederholte Verwendung verfügbar macht) die Massenproduktion von Aminosäuren und Zuckern ermöglicht, was zu ihrer Verwendung in der Lebensmittelindustrie geführt hat, sowie die Entwicklung von Instrumenten wie Autoanalysatoren und Biosensoren, d. h. physikalisch-chemische Analyseinstrumente zum Nachweis und zur Quantifizierung von Substanzen.

Weitere Anwendungen sind Reaktionen in Pflanzenzellen, tierischen Zellen wie Leber- und Blutzellen, intrazellulären Organellen wie Mitochondrien und Pigmentkörpern, Hormonrezeptoren und Antikörpern.

Prinzip der Bioreaktoren

Bioreaktoren arbeiten durch die Synthese, den Abbau, die Umwandlung und die Entfernung von Reaktanten als Rohstoffen mit immobilisierten Enzymen und anderen Reaktionselementen unter kontrollierter und regulierter Temperatur, pH-Wert und Druck, um das Zielprodukt zu erhalten.

Neben gereinigten Enzymen werden auch Zellen und Mikroorganismen als Reaktionselemente verwendet. Reaktionselemente können durch eine Trägerbindungsmethode, bei der sie an einen unlöslichen Träger gebunden werden, eine Vernetzungsmethode, bei der Reaktionselemente miteinander vernetzt werden, oder eine Einschlussmethode unter Verwendung eines Einschlussmittels immobilisiert werden. Die Immobilisierung des Reaktionselements erleichtert die Trennung des Reaktionselements von der Produktsubstanz. Es gibt auch Verfahren, bei denen die Reaktionselemente ohne Immobilisierung suspendiert werden.

In Bioreaktoren unterscheiden sich die Methoden der Belüftung, des Rührens, des Mischens und der Steuerung der Reaktionstemperatur stark, je nachdem, ob die Reaktion im flüssigen oder festen Zustand durchgeführt wird. Handelt es sich bei den Reaktionselementen beispielsweise um aerobe Organismen, ist eine Belüftung erforderlich, so dass eine Belüftungs- und Rührmethode angewandt wird, oder es wird eine Airlift-Methode gewählt, bei der Luftblasen aus einem Saugrohr im Inneren des Gefäßes aufsteigen. Bei photosynthetischen Organismen muss die Flüssigkeit mit gelösten organischen Stoffen, anorganischen Salzen wie Stickstoff und Phosphor, Vitaminen und anderen bioaktiven Stoffen sowie mit Licht versorgt werden.

Bei Mikrobioreaktoren, die für die Analyse verwendet werden, können Gefäße in der Größenordnung von einigen µl verwendet werden, und die Temperatur und das Flüssigkeitsvolumen müssen stärker kontrolliert werden, um Messfehler zu vermeiden.

Synthese optisch aktiver Substanzen in Bioreaktoren

Bioreaktoren werden auch häufig für die Synthese optisch aktiver Substanzen verwendet. Ein Katalysator, der häufig für die Synthese optisch aktiver Substanzen verwendet wurde, ist der Biokatalysator. Zu den Vorteilen der Verwendung von Biokatalysatoren gehören die folgenden Merkmale.

• Viele von ihnen zeigen eine ausgezeichnete katalytische Aktivität in Umgebungen, die für uns einfach zu handhaben sind: normale Temperatur, normaler Druck und ein nahezu neutraler pH-Wert.
• Selektive Reaktionen finden nur an bestimmten Stellen in der Verbindung statt. Im Allgemeinen entstehen nur wenige Nebenprodukte, und es können Reaktionen mit hoher Ausbeute erwartet werden.
• Dank der Substratspezifität können Reaktionen nur an bestimmten Verbindungen durchgeführt werden, auch wenn mehrere Verbindungen vorhanden sind. Selbst wenn racemische Verbindungen verwendet werden, ist es möglich, nur mit dem R- oder S-Körper zu reagieren.
• In vielen Fällen wird die Reaktion in Wasser durchgeführt, so dass man sich keine Gedanken über Dehydratisierung oder Entgasung machen muss.
• Die funktionellen Gruppen sind hochselektiv, so dass nur Ketone in Gegenwart von Ketonen und Aldehyden reduziert oder selektive Nitrile in Gegenwart von Estern hydrolysiert werden können.

Anwendungen von Bioreaktoren in der regenerativen Medizin

Im Bereich der regenerativen Medizin können Bioreaktoren zur effizienten Kultivierung einer großen Anzahl von Zellen eingesetzt werden.

Pluripotente Stammzellen wie ES- und iPS-Zellen ziehen aufgrund ihrer unbegrenzten Proliferationsfähigkeit und Multipotenz die Aufmerksamkeit als wichtige Zellquelle in der regenerativen Medizin auf sich. Es wird erwartet, dass insbesondere iPS-Zellen in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, da sie weniger ethische Hürden aufweisen als ES-Zellen. Andererseits ist für den Einsatz dieser Zellen in der regenerativen Medizin ein stabiler Vorrat von etwa 1-10 Milliarden Zellen erforderlich. Ein wichtiger Punkt bei schwimmenden 3D-Kultursystemen ist die Aufrechterhaltung der Einheitlichkeit in der Zusammensetzung des Nährmediums und der Sauerstoffkonzentration im Medium. Die Geschwindigkeit des Rührens ist hier wichtig. Übermäßiges Rühren kann zu physischem Stress für die Zellen führen. Dies ist besonders ungeeignet für die Kultur von iPS-Zellen, die in einzelnen Zellen zur Apoptose neigen. Andererseits ist zu erwarten, dass eine langsame Bewegung zu unspezifischen Fusionen zwischen Zellen und zur Sedimentation von Zellaggregaten führt, was die Kultureffizienz erheblich verringern kann. Um diese Probleme zu lösen, wird an der Entwicklung von Bioreaktoren geforscht, die für die Zellen weniger belastend sind und eine gleichmäßigere Bewegung gewährleisten.

Was ist ein Biosensor?

Biosensoren sind Sensoren, die in der Lage sind, eine Zielsubstanz mithilfe einer biologischen Reaktion spezifisch nachzuweisen.

Die in Biosensoren verwendeten Materialien werden in drei Gruppen eingeteilt: die Gruppe der Biokatalysatoren, die aus Enzymen besteht, die Gruppe der Biokompatibilitäten, die Antikörper und Nukleinsäuren umfasst, und die Gruppe der Mikroorganismen, die Mikroorganismen enthält. Die molekulare Unterscheidungsfähigkeit dieser biokatalytischen Materialien ermöglicht es, die Zielsubstanz spezifisch nachzuweisen.

Die Entwicklung von Biosensoren erfordert interdisziplinäre Forschung in Chemie, Biologie und Technik. Es wird erwartet, dass sie in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden werden, u. a. in den medizinischen und pharmazeutischen Wissenschaften, der Lebensmittelanalyse und der Umweltforschung.

Grundsätze der Biosensoren

Biosensoren bestehen hauptsächlich aus einem Biorezeptor, einer Immobilisierungsschicht und einem Wandler.

1. Biorezeptoren

Ein Biorezeptor ist eine biologische Substanz, die zum Nachweis einer Zielsubstanz verwendet wird. Biorezeptoren sind biologische Substanzen, die das Zielmolekül selektiv erkennen und somit nur den spezifischen Nachweis der Zielsubstanz ermöglichen. Biomaterialien wie Enzyme, Antikörper, Zellen, Aptamere und Nukleinsäuren werden als Biorezeptoren verwendet.

2. Immobilisierungsschicht

Eine Immobilisierungsschicht ist eine Schicht, in der die als Biorezeptor verwendete biologische Substanz ohne Funktionsverlust auf dem Wandler immobilisiert wird.

Im Allgemeinen führt eine starke Immobilisierung von Biomaterialien häufig zu einem Funktions- und Aktivitätsverlust, während eine Schwächung der Immobilisierung zur Aufrechterhaltung von Funktion und Aktivität zu einer Ablösung der Biomaterialien und einer verringerten Nachweisleistung führt. Um dieses Problem zu überwinden, werden verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, bei denen Matrizen auf der Grundlage poröser Membranen und Polymere sowie Immobilisierungsmethoden wie Physisorptions- und Vernetzungsmethoden zum Einsatz kommen.

3. Transducer

Der Transducer ist der Teil, der die Reaktion des Biorezeptors in ein messbares Signal umwandelt. Die beiden wichtigsten Arten von messbaren Signalen sind optische und elektrochemische Signale. Durch die Verarbeitung der erhaltenen Signale können die Menge und die Konzentration der interessierenden Substanz berechnet werden.

Verwendungszwecke von Biosensoren

Biosensoren werden mit biologischen Substanzen hergestellt und sind daher relativ empfindlich. Sie werden nicht nur in der Medizin, sondern auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt, z. B. im Lebensmittel- und Umweltbereich, da die Messgeräte im Allgemeinen preiswert, kompakt und einfach zu bedienen sind.

Herkömmliche Techniken für chemische Experimente und Spektroskopie sind zwar genau, erfordern aber eine komplizierte Probenvorbereitung und haben Nachteile, wie z. B. den Nachweis von Signalen, die nicht von der Zielsubstanz stammen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Messungen in einem stabilen Raum durchgeführt werden müssen, so dass die bei Felduntersuchungen gesammelten Proben nach der Entnahme wieder nach Hause gebracht werden müssen und es einige Zeit dauert, bis die Ergebnisse vorliegen.

Es wird erwartet, dass Biosensoren in vielen Bereichen eingesetzt werden, da es sich um kostengünstige Messgeräte handelt, die einfach zu bedienen sind und in kurzer Zeit Ergebnisse liefern.

Vor allem in der Medizin schreitet die Anwendung von Biosensoren rasch voran. Glukose-Biosensoren werden zum Beispiel bei der Diagnose von Diabetes eingesetzt, wo der Blutzuckerspiegel genau kontrolliert werden muss.

Weitere Informationen über Biosensoren

Potenzielle medizinische Anwendungen von Biosensoren

Die vielversprechendste Anwendung von Biosensoren liegt im medizinischen Bereich. Sie können zur Überwachung des eigenen Gesundheitszustands für die Behandlung und das Gesundheitsmanagement eingesetzt werden.

1. Messung des Blutzuckerspiegels
   Bei Diabetes wird der Blutzuckerspiegel mit einem einfachen Blutzuckermessgerät gemessen, aber mit tragbaren Geräten kann der Blutzuckerspiegel auch ohne Blutabnahme gemessen werden. Verschiedene Formate, darunter Geräte mit Kontaktlinsen und Uhren, werden derzeit erforscht, und es gibt große Hoffnungen für ihre praktische Anwendung.
2. Krankheitsdiagnose
   Es wurde eine Reihe von Sensoren entwickelt, mit denen Krankheiten diagnostiziert werden können, für die bisher verschiedene Tests erforderlich waren, und zwar mit einfachen Tests wie Urintests. Beispiele sind Antigen-Antikörper-Tests, die Immunreaktionen nutzen, um krankheitsbezogene Proteine und Viren zu messen. Geforscht wird an empfindlicheren und quantitativeren Messmethoden sowie an Methoden zur Diagnose mehrerer Krankheiten mit demselben Biosensor.
3. Pharmazeutische Wissenschaften
   Die Anwendung von Biosensoren wird auch im Bereich der Pharmakologie erforscht. Arzneimittelabgabesysteme (Drug Delivery Systems, DDS), die die erforderliche Dosis eines Arzneimittels an der gewünschten Stelle im menschlichen Körper freisetzen, werden voraussichtlich die nächste Generation von Arzneimitteln sein. Streng genommen gehören sie nicht zu den Biosensoren, da sie keine Transducer verwenden, sondern statt eines Signals den darin enthaltenen Wirkstoff freisetzen.

   DDS, die Biorezeptoren verwenden, können Medikamente nur an der gewünschten Stelle freisetzen und dabei die menschliche Immunreaktion und andere Faktoren nutzen, so dass Krankheiten behandelt werden können, die einen chirurgischen Eingriff erfordern, oder Krankheiten wie Krebs, die mit einem chirurgischen Eingriff schwer zu heilen sind, entweder durch Trinken oder durch Injektion.

Es wird erwartet, dass die Erfassung und Nutzung biochemischer Informationen auf diese Weise in Zukunft für die gesamte Medizin und Gesundheitsfürsorge von Nutzen sein wird.

Was ist ein Fläschchen?

Fläschchen werden als Behälter für Injektionen und Analyseproben in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie verwendet und sind nach dem japanischen Arzneibuch als versiegelte Behälter klassifiziert. Die Öffnung ist mit einem Gummistopfen verschlossen, es gibt aber auch Schraubverschlussflaschen.

Borosilikatglas wird durch Feuer ohne Verwendung von Formen verarbeitet. Da es bei niedrigeren Temperaturen als Kalk-Natron-Glas hergestellt werden kann, ist die Auswaschung alkalischer Bestandteile relativ gering. In den letzten Jahren ist der Bedarf an Fläschchen mit geringer Alkalibehandlung, die die Elution aus dem Fläschchen für die Stabilität des Arzneimittels verringern, und an Fläschchen mit geringer Absorption, die die Menge des adsorbierten Arzneimittels verringern können, gestiegen.

Verwendungszwecke von Fläschchen

Die Hauptverwendung von Fläschchen ist die Aufnahme von injizierbaren Arzneimitteln. Zur Verwendung wird das Fläschchen unter aseptischen Bedingungen mit dem Arzneimittel gefüllt, ein Gummistopfen in die Öffnung eingesetzt und der Gummistopfen und die Öffnung mit einer Aluminiumkappe oder ähnlichem verschlossen. Der Gummistopfen kann mehrfach durchstochen werden, so dass die Arzneimittellösung mehrfach aufgefangen werden kann, muss aber unter aseptischen Bedingungen betrieben werden, da es zu Infektionsunfällen kommen kann, wenn die Arzneimittellösung beispielsweise mit einer kontaminierten Nadel aufgefangen wird.

In der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie werden ebenfalls Fläschchen verwendet, um Analyseproben in Autosampler zu geben, aber im Falle der Ionenchromatographie werden Kunstharzfläschchen verwendet, da die Gefahr besteht, dass Komponenten in Glasfläschchen auslaugen. Außerdem können basische Substanzen an der Innenwand der Küvette haften bleiben, so dass auch in diesem Fall Kunstharzküvetten verwendet werden.

Merkmale der Fläschchen

Die Fläschchen werden aus Borosilikatglas hergestellt. Borosilikatglas besteht aus Siliziumdioxid und wasserfreier Borsäure und hat eine netzartige Struktur. Es zeichnet sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine relative Härte und eine hohe Wasserbeständigkeit aus. Im Vergleich zu Natron- und Bleiglas ist es hitze- und kältebeständiger und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber Chemikalien auf. Es zeichnet sich auch dadurch aus, dass es für Sauerstoff und andere Gase undurchlässig ist und somit nicht oxidiert.

Die Eigenschaften der inneren Glasoberfläche der Fläschchen werden durch Oberflächenbehandlungen wie Entkalkung und Beschichtung verändert. Bei der Entkalkung werden die alkalischen Bestandteile der Oberflächenschicht durch Reaktion der Glasoberfläche mit einer Schwefelverbindung bei einer Temperatur nahe dem Glasübergangspunkt neutralisiert oder selektiv extrahiert. Durch diesen Vorgang wird eine Oberfläche mit hohem Siliziumdioxidgehalt freigelegt und die Auswaschung der alkalischen Bestandteile verringert. Beschichtungen können mit Kieselsäure, Silikonharzen oder Fluorpolymeren hergestellt werden.

Bei der Siliziumdioxid-Verarbeitung wird das Siliziumdioxid bei hohen Temperaturen auf der Innenseite des Glases geschmolzen, um einen dünnen Siliziumdioxid-Film auf der Innenseite zu bilden. Bei der Silikonverarbeitung wird im Allgemeinen ein dünner Film aus Silikonharz auf der Glasoberfläche durch Eintauchen und Einbrennen in einer Dimethylpolysiloxanlösung gebildet. Bei der Fluorpolymerverarbeitung wird durch Auftragen und Einbrennen eines Fluorpolymers mit einem Haftvermittler ein dünner Film aus Fluorpolymer auf der Innenfläche des Glases gebildet. Bei diesen Verfahren wird der direkte Kontakt der chemischen Lösung mit der Innenfläche des Glases vermieden, wodurch das Auslaufen der Glasbestandteile erschwert wird.

Unterschiede zwischen Fläschchen und Ampullen

Bei Fläschchen wird die Öffnung mit einem Gummistopfen verschlossen, während bei Ampullen das Behältnis mit der Arzneimittellösung gefüllt und dann mit der durch Hitze verschlossenen Spitze des Behältnisses gelagert wird. Zur Entnahme der Arzneimittellösung wird der Kopf des Behältnisses aufgeschnitten und eine Nadel durch die Öffnung eingeführt, um die Arzneimittellösung anzusaugen. Beim Aufschneiden von Ampullen hängt die Handhabung von der Art des Behältnisses ab. Bei Behältern mit Punktmarkierungen oder Linien an der Schnittstelle wird der Ampullenkopf von Hand aufgeklappt, während bei Ampullen ohne Markierungen oder Linien der Ampullenkopf nach dem Anritzen des Ampullenhalses mit einem Ampullenschneider oder einer Feile aufgeklappt wird. Ampullen werden häufig für injizierbare Arzneimittel in relativ kleinen Mengen verwendet. Ampullen bestehen wie Fläschchen aus Borosilikatglas, was bedeutet, dass die Bestandteile der Arzneimittellösung kaum adsorbiert und die Glasbestandteile kaum aufgelöst werden. Sie sind auch nicht durchlässig für Gase wie Sauerstoff. Der Vorteil der Verwendung von Ampullen ist, dass sie zu geringeren Kosten als Fläschchen zu hochdichten Behältern verarbeitet werden können.

Handhabung von Ampullen mit Gummistopfen

Bei der Verwendung von Ampullen mit Gummistopfen muss darauf geachtet werden, dass sie nicht beschädigt werden. Beim Einstechen der Nadel in den Gummistopfen des Fläschchens wird der Gummistopfen von der Nadel abgeschabt, und die abgeschabten Gummistücke (d. h. der Kern) werden in die Arzneimittellösung gemischt. Es wird angenommen, dass die Kernbildung durch Faktoren wie Form und Material des Gummistopfens, Durchmesser und Form der Injektionsnadel und die Einstichmethode verursacht wird. So wurde beispielsweise berichtet, dass bei stumpfen Kunststoffnadeln und 18-G-Metallnadeln die Häufigkeit von Kernbildung höher ist. Es wurde auch berichtet, dass die Häufigkeit des Einstichs umso höher ist, je schneller die Nadel eingeführt wird.
Zur Vermeidung von Kernbildung werden die folgenden Methoden als wirksam angesehen.

• Beim Einführen der Nadel muss der Gummistopfen an der vorgesehenen Stelle (eingravierter Bereich) durchstochen werden. Gibt es keinen eingravierten Bereich, sollte die Mitte des Gummistopfens verwendet werden.
• Wählen Sie eine möglichst dünne Nadel mit einer kurzen Klingenlänge.
• Die Nadel sollte langsam und senkrecht eingeführt werden.
• Drehen Sie die Nadel während der Injektion nicht.
• Vermeiden Sie es, die Nadel mehr als einmal an derselben Stelle zu injizieren.

Bei der Handhabung von Fläschchen mit Gummistopfen sollte man sich mit diesen Methoden vertraut machen und äußerst vorsichtig sein, um ein Einstechen zu vermeiden.

Was ist ein Hybrid-Lüfter?

Hybrid-Lüfter sind Ventilatoren, die in kommerzielle Klimaanlagen eingebaut werden und für die Verbesserung der Effizienz von Klimaanlagen verantwortlich sind. Der Ventilator dreht sich mit dem Luftstrom aus dem Auslass der Klimaanlage, um den direkten Luftstrom zu reduzieren und eine gleichmäßige Temperatur im Raum aufrechtzuerhalten. Da das Gebläse der Klimaanlage die Energiequelle ist, ist der Ventilator umweltfreundlich, da er keinen Strom benötigt und bis zu 3°C Strom einsparen kann. Da sie außerdem einfach zu installieren und unabhängig von der Jahreszeit, z. B. im Sommer oder Winter, bequem zu benutzen sind, werden sie zunehmend in Büros und Geschäften eingesetzt.

Einsatzgebiete von Hybrid-Lüftern

Hybrid-Lüfter werden in Büros und Geschäften als Teil von Energiesparmaßnahmen und zur Schaffung komfortabler Räume eingesetzt. Der Ventilator verteilt die Klima- und Heizungsluft im gesamten Raum, wodurch Temperaturunterschiede verringert und die Effizienz der Klimaanlage verbessert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die Temperaturen in der Nähe der Decke und des Bodens oft um mehr als 10 °C voneinander abweichen. Außerdem sollen die Kohlendioxidemissionen um etwa 20 % gesenkt werden. Allerdings ist der Stückpreis hoch und die Anfangsinvestition groß, so dass der Einbau nur an wenigen Stellen erfolgen sollte.

Das Prinzip der Hybrid-Lüfter

Es wird erwartet, dass Hybrid-Lüfter allein durch ihren Einbau die Effizienz der Klimaanlage verbessern und die Kälte reduzieren. In diesem Abschnitt werden die Vor- und Nachteile von Hybrid-Lüftern beschrieben.

• Vorteile
  Im Allgemeinen gibt es sechs Vorteile: Erstens wird der direkte Luftstrom der Klimaanlage und der Heizung reduziert und im ganzen Raum verteilt; zweitens wird durch die Verteilung des direkten Luftstroms der Temperaturunterschied zwischen der Decke und dem Boden verringert und die Effizienz der Klimaanlage erhöht; drittens kann durch die erhöhte Effizienz der Klimaanlage die Temperatureinstellung um bis zu 3 °C verändert werden, ohne dass der Komfort beeinträchtigt wird; viertens werden die Stromrechnung und die Kosten für den Ventilator gesenkt. Viertens können die Stromkosten und die Kohlendioxidemissionen um 20 % gesenkt werden; fünftens fallen keine laufenden Kosten wie Stromrechnungen an, da die Energiequelle die Luft aus dem Klimagerät ist; und sechstens ist die Installation einfach und erfordert keine Elektroarbeiten.
• Nachteilig
  Es fallen zwar keine laufenden Kosten an, aber die Anfangsinvestition ist hoch. Die Kosten für ein Gerät belaufen sich auf etwa 30.000 JPY, was bei der Installation mehrerer Geräte ein erheblicher Betrag ist. Je nach Größe und Beschaffenheit des Raums ist jedoch auch bei der Installation an nur wenigen Stellen eine gewisse Wirkung zu erwarten.

Was ist Hydrogel?

Hydrogel ist ein Oberbegriff für eine Substanz, in der ein Feststoff wie ein Polymer Wasser absorbiert und aufquillt, um eine nicht fließfähige Form (Gel) zu bilden. Wenn z. B. Polymerketten wie Polysaccharide und Gelatine zu einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur vernetzt sind, enthalten sie so viel Wasser in der Netzwerkstruktur, dass sie aufquellen und in Wasser unlöslich werden. Beispiele hierfür sind Konjak, Agar und Gelee.

Verwendungen von Hydrogelen

Hydrogel ist in Lebensmitteln wie Tofu und Agar enthalten und wird auch in weichen Kontaktlinsen und saugfähigem Material (superabsorbierendes Polymer) für Wegwerfwindeln verwendet. Da seine Zusammensetzung biologischem Weichgewebe ähnelt, wurde seine Verwendung als medizinisches Material in den letzten Jahren erforscht, aber der Verlust von Eigenschaften, wenn es im Körper Wasser absorbiert, ist ein Problem, das gelöst werden muss.

Konkrete Beispiele sind die Verwendung als künstlicher Knorpel und künstliche Bandscheiben, als Material, das Medikamente langsam freisetzt, und im Bereich der regenerativen Medizin wird die Verwendung als Gerüstmaterial für Zellen erforscht. Nach der Kultivierung von Zellen auf Hydrogelen wird nur das Gel durch ein Reduktionsmittel aufgelöst, so dass Zellschichten mit aneinander haftenden Zellen entstehen, die dann zur Behandlung auf geschädigte Bereiche aufgebracht werden können.

Grundsätze und Eigenschaften von Hydrogelen

1. Physikalisches Gel und chemisches Gel

Hydrogele werden je nach Vernetzungsmethode in physikalische Gele und chemische Gele unterteilt.

• Physikalische Gele
  Vernetzt durch Wasserstoffbrücken, Ionenbindungen, Koordinationsbindungen usw.
• Chemische Gele
  Vernetzungen durch kovalente Bindungen

Konkrete Beispiele sind Agar und Gelatine, die beim Erhitzen einen reversiblen Sol-Gel-Übergang durchlaufen, physikalische Gele, während chemisch stabile Produkte wie superabsorbierende Polymere in Einwegwindeln und weichen Kontaktlinsen chemische Gele sind.

2. Beispiele für Gelierung

Ein bekanntes Beispiel ist Alginsäure, ein natürliches Polymer. Das Natriumsalz der Alginsäure ist wasserlöslich, aber wenn ein mehrwertiges Kation wie Ca2+ hinzugefügt wird, tritt sofort eine ionische Vernetzung ein. Bei diesem Prozess wird das Lösungsmittel Wasser in die Netzstruktur der Vernetzungen eingebaut, was zur Gelierung (Hydrogelation) führt.

Arten von Hydrogelen

HEMA (Hydroxyethylmethacrylat) wird in herkömmlichen weichen Kontaktlinsen verwendet, da es bei Befeuchtung weich wird. Da ein höherer Wassergehalt die Sauerstoffdurchlässigkeit erhöht, hat man versucht, den Wassergehalt zu erhöhen und die Dicke der Linse zu verringern. Es wurde jedoch festgestellt, dass der technologischen Entwicklung Grenzen gesetzt sind, da ein höherer Wassergehalt die Verdunstung von Wasser erleichtert, wodurch die Augen während des Tragens trockener werden.

In den letzten Jahren hat Silikon-Hydrogel als ein neues Material, das die Probleme von HEMA löst, Aufmerksamkeit erregt. Silikonhydrogel ist ein Material mit geringem Wassergehalt, aber hoher Sauerstoffdurchlässigkeit. Da Sauerstoff direkt durch die Kontaktlinse dringt, kann sie eine große Menge Sauerstoff abgeben, ohne vom Wassergehalt der Linse abhängig zu sein, was den Vorteil hat, dass die Belastung des Auges verringert wird.

Dies hat den Vorteil, dass die Belastung des Auges verringert wird. Es wird erwartet, dass der Rückgang der Hornhautendothelzellen in der Hornhaut, der in der Vergangenheit bei Kontaktlinsen ein Problem darstellte, verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass der geringe Wassergehalt ein Austrocknen der Augen beim Tragen der Linsen verhindert. Außerdem sind Silikon-Hydrogel-Materialien weniger anfällig für Verunreinigungen durch in der Tränenflüssigkeit enthaltene Proteine.

Da es jedoch sehr lipophil ist, lässt sich Öl nur schwer entfernen, wenn es einmal darauf gelangt ist. Daher muss darauf geachtet werden, dass ölhaltige Substanzen, wie z. B. Augen-Make-up, nicht an dem Material haften bleiben. Die Herausforderung besteht darin, dass es aufgrund seines geringen Wassergehalts ein härteres Material ist als HEMA, und die technologische Entwicklung ist im Gange, um den Tragekomfort zu verbessern.