11. August 2025
GEA-Homogenisierungsanlagen für Bio-Tinten für die regenerative Medizin
GEA engagiert sich leidenschaftlich für Innovationen in der industriellen Prozessindustrie, um das Unternehmensziel „Engineering for a better world“ in verschiedenen Branchen, von Brauereien bis zur Biomedizin, zu verwirklichen. Die Ingenieure des Unternehmens lieben Herausforderungen. Als GEA Anfang der 2020er Jahre von Wissenschaftlern der Technischen Universität Graz gebeten wurde, einen Homogenisierungsprozess und eine Technologie zu entwickeln, mit denen sie Eukalyptuszellstoff in 3D-gedruckte, organische Strukturen verwandeln können, die menschliche Venen, Arterien und andere Gewebe nachahmen, ging GEA eine Zusammenarbeit mit dem Universitätsteam ein und machte sich sofort an die Arbeit.
Das GEA-Team verbrachte viel Zeit mit den Wissenschaftlern, um mehr über ihre Forschung, Herausforderungen und Ziele zu erfahren und so die entscheidende Rolle der Homogenisierung bei der Herstellung nanostrukturierter Zellulosefasern aus dem Eukalyptuszellstoff-Ausgangsmaterial wirklich zu verstehen. Innerhalb von nur wenigen Jahren entwickelte das Team in Zusammenarbeit mit der akademischen Projektleiterin Prof. Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., stellvertretende Leiterin des Instituts für Chemie und Technologie Biobasierter Systeme (IBioSys) der Universität, ein robustes Homogenisierungsverfahren. Dieser ermöglicht es den Forschern, aus Eukalyptus gewonnene Nanocellulose als flüssige „Tinte“ zu verarbeiten.
Diese Tinten auf Nanocellulosebasis können im 3D-Druck zu Strukturen geformt werden, die die anisotropen biomechanischen Eigenschaften verschiedener menschlicher Gewebe wie Blutgefäße und Luftröhren nachbilden, erklärt Rupert Kargl, Ph.D., Assistenzprofessor am IBioSys. Nach entsprechenden Tests könnten solche pflanzlichen „Gewebe“, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, zur Herstellung von Organmodellen verwendet werden, die der Anatomie und Biomechanik der Arterien von Patienten ähneln. „Diese Modelle könnten potenziell von Chirurgen zur Planung kardiovaskulärer Eingriffe und zur Anpassung von Implantaten an die Anatomie des Patienten verwendet werden“, sagt Kargl.
Diese Modelle könnten potenziell von Chirurgen zur Planung kardiovaskulärer Eingriffe und zur Anpassung von Implantaten an die Anatomie des Patienten verwendet werden.
Rupert Kargl, Ph.D.
Assistenzprofessor am IBioSys
Prof. Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., stellvertretende Leiterin des Instituts für Chemie und Technologie Biobasierter Systeme (IBioSys) der Universität, links, im Gespräch mit Dr. Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization.
Maßgeschneiderte Hardware: ein GEA Panther Homogenizer 3006
Für ihr laufendes Projekt hat das Universitätsteam 2024 einen GEA Panther Homogenizer 3006 angeschafft: ein kompaktes System, das bis zu 50 Liter Nanocellulose-Tinte pro Stunde verarbeiten kann. Nanocellulose-Emulsionen sind schwer zu pumpen, und Standardhomogenisatoren, wie sie beispielsweise für die Verarbeitung von Milchprodukten verwendet werden, sind nicht geeignet. Für den Nanocellulose-Prozess der Universität hat GEA daher eine Panther-Anlage entwickelt und konfiguriert, die für die Verarbeitung des Materials optimiert ist und auch die Füllpumpe und die Kühlung umfasst.
Dr. Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization, hat die Zusammenarbeit mit Stana Kleinschek und dem IBioSys-Team im Bereich der Nanocellulose-Homogenisierung geleitet. Sie erklärt, dass GEA zur parallelen Entwicklung des Prozesses und des Homogenisiersystems zunächst Tests mit sehr geringen Volumina im GEA-Kompetenzzentrum für Homogenisierung durchgeführt hat, um die Machbarkeit des Prozesses selbst nachzuweisen und die Prozessparameter sowie die Einrichtung der Homogenisierungsanlage und die Konfiguration der Komponenten zu optimieren.
Anschließend optimierten die Ingenieure den Prozess und die Technologie in größerem Maßstab und gingen potenzielle Herausforderungen an, insbesondere im Zusammenhang mit der Pumpbarkeit der Zellulose-Wasser-Emulsion. Vertreter von GEA reisten 2024 auch an die Universität, um das Homogenisierungssystem Panther 3006 vor Ort einzurichten, die Systemkonfiguration durchzuführen und zu überprüfen und das Team von Stana Kleinschek in der Bedienung zu schulen.
Die Homogenisierungsanlage ist in sich geschlossen und für das Team der Universität im täglichen Betrieb, in der Programmierung und Wartung benutzerfreundlich. Wichtig ist, dass die Wissenschaftler den Homogenisierungsprozess anpassen können, um präzise strukturierte Nanocellulosefasern und 3D-Druckfarben herzustellen, sodass die gewünschten Eigenschaften in die Endprodukte integriert werden können.
Ein 3D-Drucker, der mit der Nanocellulose-Bio-Tinte des Teams bestückt ist, druckt eine röhrenförmige Struktur.
Materialwissenschaften von Grund auf
„Nanocellulose kann zwar bereits teilweise verarbeitet gekauft werden, aber Professorin Stana Kleinschek war daran interessiert, die Materialien von Grund auf neu zu entwickeln“, erklärt Grasselli. „Mit unserer Technologie können die Wissenschaftler die Rezeptur anpassen und weitere Untersuchungen zu den Auswirkungen der Vorbehandlung und Homogenisierung auf die Materialeigenschaften und -struktur durchführen. Dadurch erhalten sie mehr Kontrolle über den Prozess, beispielsweise über die Faserquelle und die Vorbehandlung, und Einblicke in die Auswirkungen der Homogenisierung auf die Nanocellulose-Struktur und die Rheologie des Materials sowie auf die endgültigen 3D-Druckteile.“
Kargl schätzt insbesondere, dass Druck, Faserkonzentration, Anzahl der Zyklen und Temperatur verändert werden können. „Der Rohstoff, die Vorbehandlung, die Anzahl der Zyklen und der Druck haben den größten Einfluss auf die Fasergröße und die Rheologie der Tinte“, sagt er.
Dipl. Ing. Dr. Florian Lackner, University Assistant am IBioSys, zeigt getrocknete Eukalyptuszellulose mit kurzen Fasern.
Die Forscher des Instituts kombinieren Fachwissen in der Chemie und Technologie biobasierter Materialien und arbeiten an der Entwicklung von Methoden zur Gewinnung, Synthese und Modifizierung bioaktiver Naturstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, darunter der Einsatz im 3D-Druck, in Beschichtungen und oberflächenaktiven Substanzen, in Bereichen wie biomedizinische Geräte und Implantate, Verpackungen, Textilien, Kosmetika und Papierbeschichtungen.
Vollständig anpassungsfähig und kooperativ
„Die laufende Zusammenarbeit zwischen GEA und dem Team des IBioSys-Instituts ist besonders spannend, da die Forscher der Universität an der Spitze der Forschung und Entwicklung im Bereich biobasierter Materialien stehen“, sagt Grasselli. „Sie kommunizieren mit Forschern – sowohl innerhalb des Technologiezentrums als auch extern – in verwandten oder angrenzenden Bereichen, und wir sind hier, um mit ihnen zusammenzuarbeiten und unsere Prozesskompetenz und unsere Technologien einzubringen, um die Forschung und Entwicklung in einer Vielzahl innovativer biobasierter Produkt- und Anwendungsbereiche zu beschleunigen.“
Die laufende Zusammenarbeit zwischen GEA und dem Team des IBioSys-Instituts ist besonders spannend, da die Forscher der Universität an der Spitze der Forschung und Entwicklung im Bereich biobasierter Materialien stehen.
Silvia Grasselli
GEA Head of Process Technology, Homogenization
