Ligna 2019

••• 10••• Innovationen Clevere Suchmaschine für „Smart Wood“ Statt langer Versuchsreihen: Forscher verändert Holzeigenschaften mittels künstlicher Intelligenz M ark Schuber, Wissenschaft- ler an der Eidgenössi- schen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, ver- ändert Holzeigenschaften mit- hilfe des Enzyms Laccase. Doch die Suche nach den passenden Ingredienzien ist komplex – sie ähnelt der Suche nach dem Schlüssel zu einem unbekannten Schloss. Statt teurer, langwieriger Versuchsreihen nutzt Schubert künstliche Intelligenz: Sie führt ihn schneller zum Ziel. Laccase kann die chemische Struktur der Holzober fläche verändern und so zusätzliche Funktionalisierungen von Holz ermöglichen, ohne die Struktur des Werkstoffs zu verändern. Durch das Anbinden funktionel- ler Moleküle an die Holzstruktur entwickeln die Empa-Forscher etwa wasserfeste oder antimik- robielle Holzoberflächen. Auch das Selbstverkleben von Holzfa- sern ohne chemische Bindemittel wird auf diese Weise machbar – so entstehen bereits heute löse- mittelfreie Faserplatten für die Isolation. Das Problem dabei: Es gibt viele Varianten des Enzyms Laccase, die sich in der Architek- tur des chemisch aktiven Zent- rums unterscheiden, und nicht alle reagieren mit dem gewünsch- ten Substrat. Es ist schwierig vor- herzusagen, ob eine bestimmte Laccase mit einem spezifischen Zielsubstrat reagiert; daher er- fordert das Identifizieren ge- eigneter Laccase-Substrat-Paare kostenintensive und zeitaufwen- dige Versuchsreihen. Molekulare Simulationen könnten das Prob- lem lösen: Man bräuchte nur eine genaue Strukturanalyse der Lac- case und könnte dann den chemi- schen Reaktionsmechanismus für jede gewünschte Kombination im Computer durchspielen. Doch das erfordert eine hohe Rechenkapa- zität und wäre selbst dann noch äußerst langwierig und teuer. Es gibt allerdings eine Abkürzung, sie heißt „Deep learning“. Ein Computerprogramm wird mit Da- ten aus der Fachliteratur und eige- nen Experimenten dazu trainiert, Muster zu erkennen: Welche Laccase oxidiert welches Subst- rat? Unter welchen Bedingungen könnte der erwünschte chemi- sche Prozess am besten stattfin- den? Das Beste daran: Die Suche funktioniert selbst, wenn nicht alle Details über den chemischen Mechanismus bekannt sind. Ent- scheidend für den Erfolg ist die Bereitstellung der Daten in pas- sender Form und die Architektur des gewählten „Deep learning“- Netzwerks. Schubert arbeitet schon seit mehr als sieben Jahren mit neuronalen Netzen. Seine ers- te Arbeit zu dem Thema stammt aus dem Jahr 2012, die jüngste ist von 2018. „Früher haben wir mit flachen neuronalen Netzen gear- beitet: mit einem Input-Layer, ei- nem Hidden Layer und einem Out- put-Layer. Heute arbeiten wir mit deutlich komplexeren Netzen. Sie enthalten mehrere Hidden Layers und leisten deutlich mehr.“ Schubert trainiert seine Algorith- men mit bekannten Datensätzen und testet sie mit Datensätzen, mit denen das System noch nie konfrontiert war. Und er hat Er- staunliches über die Robustheit der Suchmaschine „Smart Wood“ zu berichten: Früher konnte er nur sorgfältig ausgesuchte, aussage- kräftige Daten verwenden, um zu guten Ergebnissen zu kommen. Inzwischen testet er seine Syste- me auch mit teils unbrauchbaren Datenhaufen. Die Maschine er- kennt selbstständig, was sie ver- wenden kann und was nicht. Das Enzym Laccase kann die chemische Struktur der Holzoberfläche verändern und so zusätzliche Funktio- nalisierungen von Holz ermöglichen. Foto: Thordis Rüggeberg, http://www.thordisrueggeberg.de A valuable raw material Scientists recover lignin from beech residual wood Using ultrapure lignin from the lig- nocellulosic biorefinery at the Fraunhofer Center for Chemical- Biotechnological Processes (CBP) in Leuna, researchers at the Tech- nical University of Hamburg-Har- burg (TU HH) have produced lignin-containing aerogels and processed high-porosity insulat- ing boards with excellent insula- tion properties. The lignin was re- covered from beech residual wood at the Fraunhofer CBP using the Organosolv process. Lignin is one of the main compo- nents of woody plant parts. Em- bedded in the plant cell wall, the complex organic matter gives the wood its compressive and break- ing strength. So far, lignin is main- ly as – contaminated with sulfur – by-product in paper and pulp production available. With the organosolv process developed by Fraunhofer, lignocellulose, the structural material of wood, is fractionated into its basic con- stituents only with water and al- cohol. Among other things, high- purity lignin is produced, which can also serve as a valuable raw material for chemical industries. At Fraunhofer CBP, the process was successfully transferred to pilot scale four years ago and will be further developed in the other project projects. In the project “Substance Use of Lignin: Nano- porous Materials”, which is fund- ed by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) through the project agency Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), the Fraunhofer CBP sup- plied high quality organosolv lignin. The lignin can be used for bioma- terials or used as a binder for the wood industry. Because of the chemically interesting structures, researchers at Fraunhofer CBP are also pursuing approaches to ex- tract aromatic raw materials from the complex natural product. The cellulose obtained, broken down into its sugar components, is used, for example, as “food” by microorganisms. Berndorf Band GmbH www.berndorfband- group.com Halle: 26 • Stand: C23 Cathild Industrie www.cathild.com Halle: 25 • Stand: M06 CERATIZIT S.A. www.ceratizit.com Halle: 27 • Stand: C57 Dynalyse AB www.dynalyse.com Halle: 25 • Stand: A56 Inserco Industrie Service GmbH www.inserco.de Halle: 26 • Stand: C61 Mychrome Oy Ab www.mychrome.fi Halle: 27 • Stand: A49 NESS Wärmetechnik GmbH www.ness.de Halle: 26 • Stand: F78 Nordutensili Srl www.nordutensili.it Halle: 15 • Stand: F69 POLYTECHNIK Luft- und Feuerungstechnik GmbH www.polytechnik.com Halle: 25 • Stand: K22 SCHEUCH LIGNO GmbH www.scheuch-ligno.com Halle: 27 • Stand: H19 Sherwin-Williams Sweden AB www.sherwin- williams.eu Halle: 17 • Stand: G19 Sonar Elektronik ve Makina San. Ve Tic. Ltd. Sti. www.sonar.com.tr Halle: 27 • Stand: H73/1 Unifog Denmark ApS www.unifog- denmark.com Halle: 17 • Stand: A31 Valutec AB www.valutec.de Halle: 25 • Stand: D23 Wächter Packautomatik GmbH & Co. KG www.waechter- packautomatik.de Halle: 15 • Stand: D23 Walter Oppliger OPTIMATIC www.optimatic.ch Halle: 25 • Stand: M10 WDE MASPELL srl www.wde-maspell.it Halle: 25 • Stand: A19 WJS GmbH www.wjs-gmbh.de Halle: 27 • Stand: F20 Nichtaussteller: JPA Pöllhuber Fördertechnik GmbH www.jpa.at Messetelegramm Anzeige