11 aug 2025
GEA-homogenisatoren maken bio-inkten voor regeneratieve geneeskunde mogelijk
GEA is gepassioneerd in het bevorderen van innovatie in industriële verwerking om de doelstelling van het bedrijf, “Engineering for a better world”, werkelijk aan te tonen in verschillende sectoren, van brouwerijen tot biogeneeskunde. De ingenieurs van het bedrijf houden ook van een uitdaging. Dus toen GEA begin jaren 2020 werd benaderd door wetenschappers bij de Technische Universiteit van Graz, om een homogenisatieproces en -technologie te ontwikkelen waarmee ze eucalyptuspulp konden omzetten in 3D-geprinte, organische structuren die menselijke aders, slagaders en andere weefsels nabootsten, ging GEA de samenwerking met het universiteitsteam aan en ging meteen aan de slag.
Het GEA-team bracht tijd door met de wetenschappers om te leren over hun onderzoek, uitdagingen en doelstellingen, en goed inzicht te krijgen in de kritieke rol die homogenisatie speelt in het creëren van nanogestructureerde cellulosevezels uit startmateriaal van eucalyptuspulp. In slechts enkele jaren, in samenwerking met academisch-projectleider, Prof. Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., Vice Head van het Institute of Chemistry and Technology of Biobased Systems (IBioSys) van de universiteit, ontwikkelde het team een robuust homogenisatieproces. Het stelde onderzoekers in staat om de uit eucalyptus onttrokken nanocellulose als vloeibare “inkt” te verwerken.
Van deze op nanocellulose gebaseerde inkten kunnen door middel van 3D-printen structuren worden gevormd die de anisotrope biomechanica van verschillende menselijke weefsels, zoals bloedvaten en tracheeën, repliceren, legt Rupert Kargl, Ph.D., Assistant Professor bij IBioSys uit. Na gepast testen konden dergelijke uit planten onttrokken “weefsels”, gegenereerd uit hernieuwbare bronnen, worden gebruikt om orgaanmodellen te bereiden die lijken op de anatomie en biomechanica van de aders van patiënten. “Deze modellen kunnen potentieel worden gebruikt door chirurgen om cardiovasculaire ingrepen te plannen en implantaten aan te passen aan de anatomie van de patiënt”, aldus Kargl.
Deze modellen kunnen potentieel worden gebruikt door chirurgen om cardiovasculaire ingrepen te plannen en implantaten aan te passen aan de anatomie van de patiënt.
Rupert Kargl, Ph.D.
Assistant Professor bij IBioSys
Prof Dr. Mag. Karin Stana Kleinschek, Ph.D., Vice Head van het Institute of Chemistry and Technology of Biobased Systems (IBioSys) van de universiteit, links, spreekt met Dr. Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization.
Aangepaste hardware: GEA Panther Homogenizer 3006
Voor hun lopende project kocht het universiteitsteam in 2024 een GEA Panther Homogenizer 3006, een compact systeem dat tot 50 liter nanocellulose-inkt per uur verwerkt. Nanocellulose-emulsies zijn moeilijk te pompen en standaard homogenisatoren, zoals degene die gebruikt worden om melkproducten te verwerken, zijn bijvoorbeeld niet geschikt. Voor het nanocelluloseproces van de universiteit ontwierp en configureerde GEA daarom een Panther-unit geoptimaliseerd voor omgang met het materiaal en het systeem bevat de vulpomp en ook koeling.
Dr. Silvia Grasselli, GEA Head of Process Technology, Homogenization, gaf leiding aan de samenwerking op het gebied van de homogenisatie van nanocellulose met Stana Kleinschek en het IBioSys-team. Ze legt uit dat GEA voor de gelijktijdige ontwikkeling van het proces en homogenisatiesystemen tests met klein volume begon te verrichten bij het GEA Center of Excellence voor homogenisatie en op die manier de haalbaarheid van het proces zelf aantoonde en de procesparameters, de opstelling van de homogenisator en de configuratie van de componenten verfijnde.
Ingenieurs optimaliseerden vervolgens het proces en de technologie op grotere schaal en pakten potentiële uitdagingen aan, vooral met betrekking tot de pompbaarheid van cellulosewateremulsie. Vertegenwoordigers van GEA reisden in 2024 ook naar de universiteit om het Panther 3006-systeem op locatie op te stellen, de systeemconfiguratie te verrichten en controleren en het team van Stana Kleinschek te trainen in de bediening daarvan.
De opstelling van de homogenisator is zelfvoorzienend en is voor het universiteitsteam gemakkelijk dagelijks te bedienen, programmeren en onderhouden. Wat ook belangrijk is, is dat de wetenschappers het homogenisatieproces kunnen aanpassen om nauwkeurig gestructureerde nanocellulosevezels en 3D-printinkten te creëren, waardoor de gewenste eigenschappen in hun eindproducten kunnen worden verwerkt.
Een 3D-printer voorzien van de bio-inkt van nanocellulose van het team print een buisvormige structuur.
Materiaalwetenschap mogelijk maken vanaf de basisprincipes
“Nanocellulose kan zelfs al gedeeltelijk verwerkt worden gekocht, maar professor Stana Kleinschek was geïnteresseerd in het ontwerpen van de materialen vanaf de basisprincipes”, vertelt Grasselli. “De wetenschappers kunnen met gebruik van onze technologie het recept aanpassen en nader onderzoek naar de gevolgen van voorbehandeling en homogenisatie op de materiaaleigenschappen en -structuur verrichten. Hierdoor krijgen ze meer controle over het proces, zoals de vezelbron en voorbehandeling, en inzicht in de manier waarop homogenisatie de nanocellulosestructuur en reologie van het materiaal, en de 3D-geprinte eindproducten beïnvloedt”.
Kargl waardeert vooral hoe de druk, vezelconcentratie, aantal cycli en temperatuur kunnen worden veranderd. “De grondstof, voorbehandeling, aantal cycli en druk hebben de grootste invloed op de vezelgrootte en inktreologie”, vertelt hij.
Dipl. Ing. Dr. Florian Lackner, University Assistant bij IBioSys, toont gedroogde eucalyptuspulp met korte vezels.
De onderzoekers van het instituut combineren expertise in de chemie en technologie van biogebaseerde materialen, en werken aan de ontwikkeling van manieren om bioactieve natuurlijke producten uit hernieuwbare bronnen te onttrekken, synthetiseren en modificeren. Er zijn tal van potentiële toepassingen, zoals gebruik daarvan in 3D-printen, coating en oppervlakteactieve stoffen, op gebieden uiteenlopend van biomedische apparaten en implantaten voor verpakkingen, textiel, cosmetica en papiercoatings.
Volledig aanpasbaar en coöperatief
“De voortdurende samenwerking tussen GEA en het team van het IBioSys-instituut is vooral spannend omdat de onderzoekers van de universiteit de toon aanvoeren op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van biogebaseerd materiaal”, aldus Grasselli. “Ze hebben connecties met onderzoekers – zowel binnen het technologiecentrum als daarbuiten – op verwante of gerelateerde vakgebieden, en we zijn hier om met hen samen te werken en onze procesexpertise en technologieën te delen, om onderzoek en ontwikkeling op vele verschillende innovatieve biogebaseerde product- en toepassingsgebieden te bevorderen”.
De voortdurende samenwerking tussen GEA en het team van het IBioSys-instituut is vooral spannend omdat de onderzoekers van de universiteit de toon aanvoeren op het gebied van de ontwikkeling van materiaalonderzoek en -technologie van biogebaseerde systemen.
Silvia Grasselli
GEA Head of Process Technology, Homogenization
