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Oktober 2011

FACHBERICHTE · MESSEN · NEWS

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

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EDITORIAL

Ihre Blicke über den Tellerrand Hatschepsut war eine bedeutende altägyptische Pharaonin. Nach ägyptischer Chronologie regier-

SICHERHEIT ist uns wichtig!

te sie etwa von 1479 bis 1458 vor Christus. Man vermutet, dass sie nur etwa 35 Jahre alt wurde. Da ihre Mumie lange Zeit unauffindbar war, wurde angenommen, sie sei aus politischen Gründen ermordet worden. Nach der Entdeckung der Mumie stand allerdings fest, dass Hatschepsut eines natürlichen Todes gestorben war, entweder durch Krebs oder durch Diabetes. Neueste Resultate zeigen, dass Hatschepsut durchaus an Krebs gestorben sein könnte, hervorgerufen durch teerhaltige Cremes, die zur Behandlung von chronischen Hautkrankheiten eingesetzt wurden und stark kanzerogene Substanzen wie Benzo(a)pyren enthielten. Woher ich dies alles weiss? Wikipedia ist in vielen Bereichen eine unerschöpfliche Quelle. Die neuesten Forschungsergebnisse zu Hatscheputs Tod aber finden Sie in diesem Heft auf Seite 54.

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Biosimilars sind biotechnologisch erzeugte, proteinbasierte Nachahmerarzneistoffe, die nach Ablauf der Patentzeit eines Originalwirkstoffs zugelassen werden. Die österreichische Novartis-Tochter Sandoz GmbH mit ihren Werken in Kundl und Schaftenau verfügt über sehr viel Erfahrung in der Herstellung von Biopharmazeutika und Biosimilars. Lesen Sie darüber

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im Bericht auf den Seiten 37 bis 39, der auf einem Besuch in Kundl und Unterlagen von Sandoz basiert. Für die Entwicklung von homogenen Metathesereaktionen wurde 2005 der Nobelpreis für Chemie vergeben. Damit diese unter den erschwerten Bedingungen der Oleochemie eingesetzt werden kann, sind hochaktive, robuste Katalysatoren erforderlich. Im Artikel ab Seite 4 erfahren Sie mehr über Metathesereaktionen und ihre Anwendungen. «ChemieXtra» soll keine Fachzeitschrift sein, die sich auf die Tagesaktualität beschränkt. Die obenstehenden Beispiele illustrieren dies. Mit Rubriken wie Biowissenschaften, Forschungswelt oder Panorama blicken wir

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bewusst über den Tellerrand der Chemie – hoffentlich zur Freude unserer Leser.

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Kurt Hermann, Redaktor redaktion@sigwerb.com

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Metathesekatalysatoren für die Oleochemie

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In der Oleochemie spielt die Metathese eine Schlüsselrolle, um nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie nutzbar zu machen. Metathesekatalysatoren, die hier zum Einsatz kommen, müssen robust und hochaktiv sein, um die oft schwankenden und teils mit Verunreinigungen belasteten Rohstoffqualitäten umsetzen zu können.

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NEWS

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BIOWISSENSCHAFTEN Ein Protein, das Eisen speichern kann

Forscher haben die räumliche Struktur eines bakteriellen Enzyms aus Microbacterium arborescens aufgeklärt, das mehrere hundert Eisenionen in seinem Zentrum anreichern kann. Das Enzym verhindert durch seine Peroxidase-Aktivität das Auftreten von zellschädigenden Sauerstoffradikalen und katalysiert die Hydrolyse und Bildung von N-Acylglutaminen, Verbindungen der Aminosäure Glutamin mit Fettsäuren.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich (5 × im Jahr 2011) Jahrgang 1. Jahrgang (2011) Druckauflage 12000 Exemplare ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com Geschäftsleiter Andreas A. Keller

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Einem vom PSI geleiteten Forscherteam ist es gelungen, harte Röntgenlaserstrahlung 100 000-fach zu konzentrieren und so an einem Punkt Röntgenstrahlung zu erzeugen, die so intensiv war wie wohl nirgends zuvor. Als Linsen verwendeten die Forscher winzige Ringstrukturen aus Diamant – dem Material, das am besten dem Röntgenlaserlicht standhält.

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FIRMEN BERICHTEN

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VERFAHRENSTECHNIK

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ANALYTIK

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PHARMA

Herausgeber/Verlag SIGWERB GmbH Unter Altstadt 10 CH-6301 Zug Telefon +41 (0)41 711 61 11 info@sigwerb.com www.sigwerb.com

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ERNÄHRUNG

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Schnitzel sind schlecht für die Umwelt

Wer die Umwelt schonen möchte, sollte weniger Fleisch essen – das sagt eine Studie der Technischen Universität (TU) Wien. Erstmals wurden die ökologischen Vorteile umfassend untersucht, die eine ausgewogene Ernährung in Österreich bringen würde. Ein Umstieg auf Biolebensmittel bringt vergleichsweise wenig.

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PANORAMA Das Geheimnis des Flakons von Hatschepsut

Dreieinhalb Jahrtausende hütete ein unscheinbarer Flakon aus dem Besitz der Pharaonin Hatschepsut ein möglicherweise tödliches Geheimnis: In dem Fläschchen war kein Parfüm, sondern eine Art Hautpflegelotion oder gar ein Medikament für eine von Ekzemen geplagte Monarchin sowie eine stark krebserregenden Substanz. Brachte das Heilmittel Hatschepsut den Tod?

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VERANSTALTUNGEN

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CHEMIE

Robust und selektiv

Metathesekatalysatoren für die Oleochemie In der Oleochemie spielt die Metathese eine Schlüsselrolle, um nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie nutzbar zu machen. Metathesekatalysatoren, die hier zum Einsatz kommen, müssen robust und hochaktiv sein, um die oft schwankenden und teils mit Verunreinigungen belasteten Rohstoffqualitäten umsetzen zu können. Evonik hat mit catMETium RF2 und catMETium RF3 zwei Katalysatoren im Programm, die diese schwierige Aufgabe lösen.

Bild 1: Anwendungsbereiche der Olefinmetathese.

Renat Kadyrov 1) Die Metathese ist eine chemische Reaktion, bei der vier Atome in einem Schritt jeweils neue Bindungspartner erhalten. Je nach Substratkombination unterscheidet man Ringschlussmetathese, Kreuzmetathese und ringöffnende Kreuzmetathese. Für die Entwicklung von homogenen Metathesereaktionen wurde 2005 der Nobelpreis für Chemie vergeben. Heute stellt die Metathese eine bedeutende Methode in der chemischen Industrie dar, um beispielsweise moderne Kunststoffe oder pharmazeutische Wirkstoffe zu entwickeln und zu produzieren (Bild 1).

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Dr. Renat Kadyrov (renat.kadyrov@evonik.com) beschäftigt sich im Geschäftsgebiet Catalysts von Evonik Industries mit Syntheseplanung, Up-scaling und Produktion von Homogenkatalysatoren.

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Die Ringschlussmetathese ist ein unverzichtbarer Reaktionsschritt bei der Synthese von Wirkstoffen für Medikamente gegen Hepatitis C oder Krebskrankheiten, da sie es erlaubt, die dafür erforderlichen 12- bis 15-gliedrigen makrozyklischen Systeme zu erzeugen. Mit der ringöffnenden Kreuzmetathese lassen sich effektiv Spezialpolymere für grosse, komplexe, korrosionsbeständige Bauteile für den Automobilbereich oder für chemische Behälter erzeugen. In der Oleochemie wird die Metathese für die Funktionalisierung ungesättigter Fettsäurederivate eingesetzt.

Eine Technologieplattform für die Metathese Unter dem Namen catMETium RF vermarktet Evonik eine Technologieplattform für die Metathese (Bild 2). Alle Katalysatoren basieren auf ungesättigten Ru-NHC-Kom-

plexen, wobei NHC für N-heterozyklische Carbene steht. Gemeinsames Merkmal der Katalysatoren sind hohe Temperaturstabilität, hohe Turnover-Zahlen (TON) und hohe Selektivitäten. Speziell in der Oleochemie spielt die Metathese von Olefinen eine herausragende Rolle, da sie als nebenproduktfreie Technologie den Zugang zu nachwachsenden Rohstoffen und ihre effiziente Nutzung ermöglicht: Durch Metathese lassen sich unter anderem Triglyceride und ungesättigte Fettsäurederivate, zum Beispiel aus Palm-, Soja- oder Rapsölen, umwandeln in Feinchemikalien, funktionalisierte Monomere, Polymere, in biologisch abbaubare Schmierstoffe und in Spezialchemikalien etwa für Kosmetika. Setzt man ungesättigte Fettsäuren und Fettsäureester mit funktionalisierten Olefinen durch Kreuzmetathese um, so sind einerseits vielfältige, zweifach funktionalisierte Olefine zugänglich. Diese sind unter ande10 / 2011


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Produkte kann das Reaktionsgleichgewicht hin zu höheren Umsätzen und Ausbeuten verschoben werden, ohne dass der Katalysator durch die thermische Beanspruchung zerstört wird.

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Bild 2: Die Produktfamilie catMETium RF von Evonik.

Um wirtschaftlich arbeiten zu können, müssen Metathesekatalysatoren für die Oleochemie besondere Eigenschaften aufweisen. catMETium RF2 und catMETium RF3 erfüllen diese Kriterien. Sie zeichnen sich durch eine hohe Toleranz gegenüber unterschiedlichen Rohstoffqualitäten aus und bieten so eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung nachwachsender Rohstoffe in der Oleochemie. Ein weiterer Pluspunkt der catMETium RFKatalysatoren ist ihre thermische Robustheit, die bei der gleichgewichtslimitierten Kreuz- bzw. Homometathese zum Tragen kommt. Die hohe Temperaturstabilität der Katalysatoren erlaubt es, den katalytischen Metatheseschritt mit thermischen Trennoperationen zu kombinieren und gegebenenfalls nicht umgesetzte Edukte in den Prozess zurückzuführen. Die hohe thermische Stabilität der RF-Katalysatoren zeigt sich bei der Homometathese von Methyloleat, bei der in einer Gleichgewichtsreaktion Octadec-9-en und Dimethyloctadec-9-endioat entstehen (Bild 3 oben). Während sich gesättigte Ru-NHC-Komplexe bereits oberhalb von 70 °C schnell zer10 / 2011

Quelle: elements35, Ausgabe 2 (2011), herausgegeben von Evonik Industries

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Ru-Komplex mit gesättigtem NHC-Ligand

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Robust und stabil bei hohen Temperaturen

setzen und infolgedessen zu einem breiten Nebenproduktspektrum führen, zeigen die Katalysatoren der catMETium RF-Technologie selbst bei Temperaturen oberhalb von 100 °C eine bislang einzigartige thermische Stabilität und Robustheit. Das Ergebnis: Reaktionsgeschwindigkeit und Produktivität nehmen bei hoher Temperatur deutlich zu (Bild 3 unten). Selbst bei hohen Reaktionstemperaturen erzielt der catMETium RF2-Katalysator eine Turnover-Zahl von über 200 000 bei einer Selektivität von mehr als 98 Prozent. Mit einer integrierten thermischen Separation der

Ausbeute [%]

rem interessante Ausgangsstoffe für die Herstellung von makrozyklischen Verbindungen, Polyestern, Polyamiden und Tensiden. Andererseits können die gleichzeitig entstehenden, nicht funk tionalisierten Olefine weiter umgesetzt werden zu Olefinen, Ölfeldchemikalien, Schmier stoffadditiven und Wachsen.

Neben der exzellenten Aktivität, Selektivität und Robustheit der catMETium RF-Technologie in verschiedenen Anwendungsgebieten bietet Evonik zusätzlichen Mehrwert durch eine klare, unabhängige IP-Position, die sich im Geschäftsmodell widerspiegelt. Evonik vermarktet die catMETium RF-Katalysatoren nach einem bewährten, einfachen Geschäftsmodell, das Lizenzvereinbarungen überflüssig macht und für Transparenz sorgt: Der Gesamtkilogrammpreis für die Katalysatoren enthält bereits die Lizenzgebühren für die Nutzung des geistigen Eigentums; darüber hinaus geht der Kunde keine zusätzlichen Verpflichtungen ein. Dieses Geschäftsmodell findet sich auch im Namen wieder: Das Kürzel RF steht für Royalty Free. Der Kunde kann die neuen Katalysatoren damit ohne Einschränkungen einsetzen.

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Bilder: Evonik/Kurt Hermann

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Ausbeute an Nebenprodukten/Isomeren Ausbeute an C18-Diester und C18-Olefin Theoretischer Umsatz, wenn die Homometathese im thermodynamischen Gleichgewicht ist

Bild 3: Homometathese von Methyloleat (oben). Vergleich der Ausbeute an C18-Diester und C18-Olefin (Katalysatorbeladung 3 ppm, Reaktionszeit zwei Stunden).

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CHEMIE

Karl Gademann erhält den Nationalen Latsis-Preis 2011

An der Schnittstelle von Chemie und Biologie Die Forschungsinteressen des organischen Chemikers Karl Gademann liegen an der Schnittstelle von Chemie und Biologie. Bei der Isolierung und Synthese von Naturstoffen stösst er immer wieder auf überraschende Zusammenhänge, die neue Forschungsfelder auftun. Für diese Arbeiten wird er mit dem Nationalen Latsis-Preis 2011 ausgezeichnet.

Bild: Derek Li Wan Po/SNF

schliesslich hat jede Disziplin ihre eigene Forschungskultur. Aber Karl Gademann ist so etwas wie ein wissenschaftlicher Weltbürger, für ihn scheint die fächerübergreifende Arbeit fast schon der Normalzustand zu sein. Seine Forschungsinteressen liegen an der Schnittstelle von Chemie und Biologie und umfassen die Isolierung und Synthese von Naturstoffen. Von Haus aus ein organischer Chemiker, wechselt er mit Leichtigkeit die Territorien: von der Chemie zu den Materialwissenschaften, von der Pharmakologie zur Biologie. Und stösst dabei immer wieder auf überraschende Zusammenhänge, die im besten Fall neue Forschungsfelder auftun. Der Medizin haben sie schon einige neue Behandlungsansätze beschert – auch wenn der Weg bis zum marktreifen Medikament natürlich ein langer ist. Karl Gademann sieht sich diesbezüglich ausdrücklich als Grundlagenforscher, das heisst als Ideengeber. Bild 1: Karl Gademann, Träger des Nationalen Latsis-Preises 2011.

Natur als Inspirationsquelle

Interdisziplinarität ist eine oft gehörte Forderung, wenn es darum geht, im Labor neue und wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen. Umzusetzen ist sie aber nicht so leicht,

Inspirationsquelle für die Arbeit von Gademann ist immer die Natur. Er interessiert sich für natürlich vorkommende bioaktive Moleküle, seien sie nun tierischen oder pflanzlichen Ursprungs. Diese Moleküle

versucht er möglichst umfassend zu verstehen: ihre Funktion, ihre Wirkungsweise, ihre Struktur. Ganz besonders interessiert sich der Forscher auch für ihre ökologische Rolle, für die Frage also, aus welchem Grund sie von den Organismen produziert werden. Dieser Ansatz gleicht einer Wundertüte, aus der Gademann immer wieder fruchtbare Ideen für die weitere Forschungsarbeit hervorholt.

Blaualgen und Alzheimer Beispielsweise hat ihn die Beobachtung, dass eine Blaualge sich erfolgreich gegen die Überwucherung anderer Algen wehrt, dazu inspiriert, in diesem Mikroorganismus nach neuartigen Wirkstoffen gegen Malaria zu suchen. Die gefundenen Algizide könnten, dafür hat Gademann Hinweise geliefert, tatsächlich auch gegen den Malaria-Erreger wirken, da dieser wohl im Laufe der Evolution Bestandteile von Algen aufgenommen hat und somit eine unerwartete Achillesferse aufweist. Blaualgen wappnen sich aber auch gegen Insektenfrass, indem sie bei den Fressfeinden eigenartige Verhaltensveränderungen hervorrufen. Das wiederum bringt den schrankenlos denkenden Wissenschaftler

Die Preise der Latsis Foundation Die Latsis Foundation wurde 1975 von der griechischen Familie Latsis in Genf gegründet. Im Auftrag der Stiftung verleiht der Schweizerische Nationalfonds den Nationalen Latsis-Preis an junge Forschende im Alter bis zu 40 Jahren für besondere wissenschaftliche Leistungen in der

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Schweiz. Daneben existieren die mit je 25 000 Franken dotierten vier Universitären Latsis-Preise (Genf, St. Gallen, ETH Zürich, ETH Lausanne) sowie der mit 100 000 Franken dotierte Europäische Latsis-Preis. Er wird durch die European Science Foundation (ESF) vergeben.

Der mit 100 000 Franken dotierte Nationale Latsis-Preis ist eine der wichtigsten wissenschaftlichen Auszeichnungen der Schweiz. Der Schweizerische Nationalfonds vergibt ihn im Auftrag der LatsisStiftung. Die Preisverleihung findet am 12. Januar 2012 im Berner Rathaus statt.

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CHEMIE

auf neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson. Und tatsächlich: In den Blaualgen findet sich ein Stoff, der gegen ein Enzym wirkt, das wohl an der Entstehung von Alzheimer beteiligt ist. Auch auf den weiteren Streifzügen durch die Natur ist Gademann fündig geworden: Aus Pilzen hat seine Forschungsgruppe Substanzen isoliert und synthetisiert, die das Wachstum der Fortsätze zwischen Nervenzellen auf bemerkenswerte Weise beschleunigen. Seine aktuellsten Forschungsprojekte nehmen Substanzen aus alten indischen und chinesischen Heilpflanzen unter die Lupe, die eine ähnliche Wirkung zeigen.

Eleganz und Einfachheit Eine weitere Spezialität von Gademann ist die Erzeugung bioaktiver Materialien, indem natürliche Substanzen auf anorganischen Trägern wie Titan oder Glas verankert werden. Hierbei sowie beim Nachbau komplexer organischer Moleküle im Labor gilt es, einen möglichst einfachen und eleganten Syntheseweg für die Endprodukte zu finden. Diesbezüglich liess Karl Gademann schon mit seiner Habilitation an der ETH Zürich aufhorchen, als es ihm gelang, das Eisentransportmolekül Anachelin erstmals chemisch herzustellen. Schon im Alter von 34 Jahren wurde ihm deshalb eine Assistenzprofessur an der ETH Lausanne angeboten,

wo er 2006 das Laboratorium für chemische Synthese begründete. 2010 zog es ihn weiter an die Universität Basel, wo er seither als Extraordinarius für Organische Chemie wirkt. Quelle: Schweizerischer Nationalfonds

Kontakt Prof. Dr. Karl Gademann Universität Basel Departement Chemie St. Johanns-Ring 19 CH-4056 Basel Telefon +41 (0)61 267 11 44 karl.gademann@unibas.ch

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Bild: Université de Genève, François Schaer

Bild 1: Als Chemical Landmark 2011 ausgezeichnet: die Uni Bastions in Genf, wo Jean-Charles Galissard de Marignac wirkte.

Chemical Landmark 2011 für Entdecker chemischer Elemente

Jean-Charles Galissard de Marignac geehrt

Seine Bekanntheit verdankt Jean-Charles Galissard de Marignac der Entdeckung der beiden Elementen Ytterbium (Yb) und Gadolinium (Gd) in den Jahren 1878 und 1880. Dies sind die beiden einzigen in der Schweiz entdeckten Elemente. Zwischen 1842 und 1883 hat er ausserdem mit höchster Präzision das Atomgewicht von 29 Elementen bestimmt, also von mehr als einem Drittel der damals bekannten Elemente. Marignac hatte an der Akademie von Genf (seit 1873 Universität) von 1841 bis 1878 einen Lehrstuhl inne. Seine Forschungsarbeiten führte er sowohl an der Universität als auch im Labor in seiner Privatwohnung an der Rue Sénebier durch. Zu Ehren des bereits zu seiner Zeit international anerkannten Chemikers hat die Platform Chemistry der SCNAT die Uni Bastions nun als Chemical Landmark 2011 ausgezeichnet. Das Gebäude ist damit die dritte 8

Bild: zvg

Die Uni Bastions der Universität Genf, welche das Labor von Jean-Charles Galissard de Marignac beherbergte, wurde mit der Chemical Landmark 2011 der Platform Chemistry der Akademie der Naturwissenschaften (SCNAT) ausgezeichnet. Marignac entdeckte als Einziger in der Schweiz zwei chemische Elemente und bestimmte zahlreiche Atomgewichte – wichtige Voraussetzungen für die Vervollständigung des Periodensystems.

Bild 2: Jean-Charles Galissard de Marignac.

Historische Stätte der Chemie in der Schweiz; nach der ersten chemischen Fabrik in Winterthur und dem alten Chemiegebäude der ETH Zürich. Am Festanlass am 13. September wurde die Plakette Chemical Landmark 2011 an der Uni Bastions enthüllt. Die historische

und wissenschaftliche Bedeutung Marignacs wurde gewürdigt von Thierry Courvoisier, designierter Präsident SCNAT, Peter Kündig, Vorstandsmitglied der Platform Chemistry, Gérard de Marignac, Historiker und Nachkomme des Gelehrten, Claude Piguet, Chemiker der Universität Genf und Jean-Dominique Vassalli, Rektor der Universität Genf. Mit den Chemical Landmark macht die Platform Chemistry das wissenschaftliche und technologische Erbe im Bereich der Chemie sichtbar. Bedeutsame Orte in der Geschichte der Chemie der Schweiz werden als Historische Stätten der Chemie ausgezeichnet, um Chemiker, Studenten, Lehrer und Historiker sowie die breite Öffentlichkeit an chemische Entdeckungen und berühmte Chemiker und deren Orte des Wirkens zu erinnern. Quelle: Platform Chemistry 10 / 2011


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CHEMIE

Mikrospinne hinterlässt feine Fäden

Polymerisationsreaktion treibt Mikromotoren an Noch ist es Science Fiction, aber vielleicht in absehbarer Zukunft Realität: Nanoroboter, Tumorzellen zerstören und Verstopfungen aus unseren Arterien kratzen oder mikroskopisch kleine «Fabriken», in denen Nanomaschinen winzige Strukturen für miniaturisierte Bauteile herstellen. Nanomotoren könnten Pharmaka rascher zu bestimmten Zielorganen transportieren oder Analytmoleküle durch die winzigen Kanäle von Diagnostiksystemen im Mikrochipformat lotsen. Forscher von der Pennsylvania State University (USA) haben einen neuen Typ Mikromotor entwickelt, der durch eine Polymerisationsreaktion angetrieben wird und wie eine Mikrospinne feine Fäden hinterlässt.

Nähe des Katalysators befindet. Umso stärker wird aber auch die lokale Strömung, die das Kügelchen antreibt.

Bild 1: Eine Polymerisationsreaktion treibt den ersten Mikromotor an, der nicht Teil eines biologischen Systems ist. Der Motor nutzt einen Grubbs-Katalysator, der unsymmetrisch an JanusMikrokgelchen mit einem Gold- und einem Siliciumdioxidteil angebracht ist. Solche Motoren ergeben eine um bis zu 70 Prozent erhöhte Diffusion in Lösungen des Monomers und zeigen eine Chemotaxis, wenn ein Monomergradient vorliegt. (Bild und Text: Angewandte Chemie)

Die Motoren bestehen aus knapp einen Mikrometer grossen Kügelchen, halb aus Gold, halb aus Siliciumdioxid. Auf der Siliciumdioxid-Oberfläche lassen sich Katalysatormoleküle (ein sogenannter Grubbs-Katalysator) anknüpfen, die Polymerisationen katalysieren. Ayusman Sen und sein Team verwenden Norbornen als Monomer. Unter Ringöffnung reiht der Katalysator diese Monomere zu langen Kettenmolekülen aneinander. Sobald die Reaktion anläuft, kommen die Kügelchen in der umgebenden Flüssigkeit ordentlich in Fahrt. Aber wie kann eine solche Reaktion eine Bewegung hervorrufen? Erfolgsgeheimnis sind die zwei unterschiedlichen Hälften der Kügelchen. Nur auf der Seite, auf der die Katalysatormoleküle sitzen, wird Monomer verbraucht. Die Monomerkonzentration nimmt ab und wird hier geringer als um die katalysatorfreie Goldhälfte herum. Diese Konzentrationsunter10

schiede erzeugen einen osmotischen Druck, der einen winzigen Strom von Lösungsmittelmolekülen in Richtung der Stellen mit höherer Monomerkonzentration hervorruft, also in Richtung Goldhälfte. Diese Mini-Strömung treibt den kleinen Motor in die entgegengesetzte Richtung. Körperzellen, beispielsweise in der Embryogenese, und bestimmte einzellige Lebewesen können Konzentrationsgradienten von Botenstoffen oder Nährstoffen folgen, ein Phänomen, das man Chemotaxis nennt. Zu einer solch gerichteten Bewegung sind auch die neuen kleinen Motoren fähig. Die Wissenschaftler verwendeten mit Norbornen gefüllte Gele, aus denen das Norbornenmonomer langsam heraussickerte. Die Mikromotoren «spüren» dies und bewegen sich auf das Gel zu, folgen also wie Einzeller einem Nährstoffgradienten. Der Grund liegt darin, dass die Polymerisation umso rascher läuft, je mehr Monomer sich in der

Es ist also möglich, die Mikromotoren auf ein Ziel hin zu lenken. In einem Lösungsmittel, in dem das entstehende Polymer unlöslich ist, könnte dieses entlang der zurückgelegten Strecke abgelagert werden – wie eine Mikrospinne, die ein Netz webt. Die Mikromotoren könnten auch so ausgelegt werden, dass sie Fehlstellen und Risse detektieren, sich dorthin bewegen und diese mit Polymer verschliessen. Quelle: Angewandte Chemie Originalpublikation Ryan A. Pavlick, Samudra Sengupta, Timothy McFadden, Hua Zhang, and Ayusman Sen, «A Polymerization-Powered Motor», Angewandte Chemie, Article first published online: 30 Aug. 2011, DOI: 10.1002/ange.201103565 Kontakt Ayusman Sen Pennsylvania State University University Park, PA 16802 (USA) asen@psu.edu http://research.chem.psu.edu/axsgroup

chemoline.ch 10 / 2011


CHEMIE

Van-der-Waals-Kräfte halten extrem lange Molekülbindungen zusammen

Chemische Stabilität mit der Kraft des Geckos Der Gecko macht es vor: Ohne Saugnäpfe, nur mit unzähligen winzigen Härchen an seinen Füssen kann er an spiegelglatten Oberflächen haften. Möglich machen dies die van-der-Waals-Kräfte, die unter dem Grundsatz «Stoffe ziehen sich immer an» für das Zusammenhalten von Gasen und anderen Stoffen sorgen. Diese Dispersionswechselwirkungen sind aber einzeln genommen schwach und lassen sich deshalb nur schlecht direkt bei chemischen Verbindungen berücksichtigen. Erstmals wurde jetzt nachgewiesen, dass van-der-Waals-Kräfte sogar extrem lange (und deshalb eigentlich schwache) Bindungen zwischen Kohlenstoffmolekülen stabilisieren können.

Bild: animals-digital/Thomas Brodmann

der Chemiker Peter R. Schreiner ist es aber gelungen, sehr stabile Moleküle mit Bindungslängen von über 170 Pikometern zu synthetisieren. Diese Ergebnisse haben Bedeutung für die molekulare Erkennung, die Enzymkatalyse, neue Materialien und für das gezielte Design neuer chemischer Strukturen, die bis dato unerreichbar schienen – wie zum Beispiel Materialien, die auch ohne Klebstoff zusammengehalten werden. Denkbar wären Anwendungen in der Nanotechnologie, aber auch in der Medizin. Derzeit sucht die Wissenschaft bereits nach Möglichkeiten, die Gecko-Kräfte für den Menschen nutzbar zu machen. So ist beispielsweise ein «Gecko-Tape» in der Entwicklung, das wie ein Klebeband funktioniert.

auf. Dies ist die längste jemals in einem gesättigten Kohlenwasserstoff gefundene C–C-Bindung. Trotzdem sind diese Verbindungen äusserst stabil. Sie zersetzen sich erst nach mehrstündiger Erwärmung auf über 250 Grad Celsius. Die hohe Stabilität der Zielverbindungen geht einzig und allein auf die Dispersionskräfte zurück, wie die Autoren mit quantenmechanischen Berechnungen zeigen. Quelle: Universität Giessen

Nanodiamanten

Bild 1: Van-der-Waals-Kräfte halten nicht nur den Gecko senkrecht, sondern auch Moleküle zusammen.

In der Strukturchemie geht man davon aus, dass kurze Bindungen zwischen Atomen besonders stark sind und lange besonders schwach. So haben typische KohlenstoffKohlenstoff-Bindungen eine durchschnittliche Länge von 154 Pikometern. (Ein Pikometer ist der billionste Teil eines Meters.) Es ist äusserst schwer, C–C-Bindungen von mehr als 165 Pikometern Länge herzustellen. Solche Strukturen sind instabil und zerfallen schnell. Giessener Chemikern um 10 / 2011

Die Giessener Forscher beobachteten, dass vermeintlich instabile Moleküle durch Dispersionskräfte äussert stabil werden können. Dazu benutzen die Chemiker sogenannte Nanodiamanten, also diamantartige Moleküle von der Grösse weniger Nanometer, die aus Rohöl in grossen Mengen zugänglich sind. Da perfekte Nanodiamanten extrem glatt und flach sind, bestand die Idee darin, zwei Nanodiamanten miteinander zu verknüpfen, um die Dispersionskräfte zwischen ihren Oberflächen maximal auszunutzen. Die Moleküle liessen sich unerwartet leicht herstellen und strukturell sehr genau charakterisieren. Die Hoffnungen auf lange Bindungen zwischen den NanodiamantBausteinen wurden übertroffen: Das grösste Molekül weist eine C–C-Einfachbindung jenseits der Grenze von 170 Pikometern

Originalpublikation Peter R. Schreiner et al., «Overcoming lability of extremely long alkane carbon-carbon bonds through dispersion forces», Nature 477 [7364], 308–311 (2011). Kontakt Prof. Dr. Peter R. Schreiner Universität Giessen Institut für Organische Chemie Heinrich-Buff-Ring 58 D-35392 Giessen Telefon +49 (0)641 99 44300 prs@org.chemie.uni-giessen.de www.uni-giessen.de 11


CHEMIE

Spot an in der Nanowelt

Struktur kleinster Kristalle sichtbar gemacht

Die Anordnung der Atome oder Moleküle in einem Festkörper bestimmt massgeblich die physikalischen Eigenschaften eines Materials. Die Analyse solcher Strukturen erfolgte erstmals im Jahr 1895 mithilfe von Röntgenstrahlung, einer Methode, die sich seither zu einem Standardverfahren entwickelt hat. Zu den Anfängen gehörte 1912 die Entdeckung, dass Kristalle aus kleinen Gittern aufgebaut sind, was die Vielfalt an thermischen, elektrischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften bedingt. «Dass diese Methode immensen Einfluss auf unser Verständnis von Festkörpern und deren Eigenschaften hatte und immer noch hat, zeigt sich in der Vielzahl der Nobelpreise, die eine Strukturanalyse einschliessen», beschreibt Ute Kolb, Oberrätin am Institut für Physikalische Chemie und am Zentrum für hochauflösende Elektronenmikroskopie der JGU, den Siegeszug der Röntgenstrukturanalyse.

Einkristall-Elektronenbeugungstomografie Im Zeitalter der Nanotechnologie wendet sich die Wissenschaft jedoch vermehrt sehr kleinen Partikeln zu, die mit der Röntgenstrukturanalyse nicht mehr zu erfassen sind. So ist eine Einkristall-Röntgenstrukturanalyse nur bis zu einer Kristallgrösse von etwa 1 Mikrometer möglich, also einem tausendstel Millimeter. Unterhalb dieser Grenze, im Reich der Nanostrukturen, erlaubt erstmals die Elektronenbeugungstomografie oder Automated Diffraction Tomography (ADT) eine vergleichbare Strukturaufklärung an einzelnen Kristalliten: «Das ist, als würden wir Licht anschalten in der Welt der Nanostrukturen», 12

Bild: José Louis Jorda

An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde eine grundlegende Methode entwickelt, um Strukturen auf der Nanoebene sichtbar zu machen. Das noch junge Verfahren aus der Elektronenmikroskopie kann die Struktur winzigster Kristalle auflösen. Die Methode wurde in der Arbeitsgruppe von Ute Kolb am Institut für Physikalische Chemie entwickelt. In Kooperation mit Wissenschaftlern aus Spanien und China konnte damit die Struktur eines neuartigen feinporigen Zeolithen bestimmt werden.

Bild 1: Mesoporen des Zeolits ITQ-43.

so Kolb. Die Methode beruht wie bei der Elektronenmikroskopie generell darauf, dass ein Elektronenstrahl auf ein Objekt trifft und dadurch gebeugt wird. Aus dem Beugungsverhalten lässt sich die Lage der Atome ermitteln.

Die Struktur von Zeolith ITQ-43 Kolb hat die Einkristall-Elektronenbeugungstomografie, so die vollständige Bezeichnung, mit ihrer Arbeitsgruppe in den letzten zehn Jahren entwickelt. Ihren ersten Erfolg verbuchte sie 2009, als die Struktur von Bariumsulfat gelöst werden konnte. «Seitdem explodiert die Menge der Materialien, die wir entschlüsseln», so die Chemikerin. Jüngstes Beispiel ist die Strukturbestimmung des Zeolithen ITQ-43 in Kooperation

mit spanischen und chinesischen Wissenschaftlern (Bild 1). Zeolithe sind Kristalle aus einer Verbindung von Aluminium und Silikat, die kleine Poren aufweisen und daher für die Energie- und Umwelttechnik interessant sind, beispielsweise als Adsorber, Ionentauscher oder Katalysatoren. Bei der Wasseraufbereitung tragen sie dazu bei, Schwermetalle herauszufiltern. In der Erdölund Erdgasindustrie kam ihre Einführung beim Rohöl-Cracking einer kleinen Revolution gleich, aber sie begegnen uns auch überall im Alltag, wie zum Beispiel im Waschpulver. Die Forscher um Avelino Corma von der Technischen Universität Valencia haben einen Zeolithen mit mittelgrossen und kleinen Poren synthetisiert, deren Kombination wie ein Trichter wirkt und so die katalyti10 / 2011


schen Eigenschaften noch weiter verbessert. Wie die komplexe Kristallstruktur mithilfe der ADT analysiert wurde, beschreibt das Forscherteam in seinem Beitrag in «Science». «Je kleiner die Zeolithkristalle vorliegen, desto höher ist ihre katalytische Effizienz», erklärt Kolb. Bei einer Kristallgrösse von etwa 100 Nanometern, was etwa vergleichbar ist mit einem achthundertstel eines menschlichen Haars, kann oft nur die automatische Beugungstomographie die Struktur vollständig und klar auflösen. «Es gibt eine grosse Anzahl von natürlichen und synthetischen Feststoffen, für die unser Verfahren in Frage kommt, weil sie nicht in geeigneter Kristallgrösse vorliegen oder nicht hergestellt werden können.» So hat Kolb in den vergangenen zwei Jahren die unterschiedlichsten Materialien unter ihr Mikroskop gelegt, von Farbpigmenten über Titanate für die Solartechnik bis hin zu Mineralien wie Charoit, einem sehr begehrten russischen Schmuckstein.

Schneller, genauer, vollständiger Im Vergleich zu herkömmlichen elektronenmikroskopischen Charakterisierungen ist die Elektronenbeugungstomografie wesentlich schneller, genauer und vollständiger. Wurden früher Strukturen zwei Jahre lang erforscht, so erhält man sie mit der ADT heute innerhalb von nur einem Tag. Auch strahlempfindliche Stoffe sind prinzipiell für die Methode geeignet, die Kolb als «Computertomografie für Kristalle» bezeichnet. Mit der Computertomografie teilt die ADT auch ein Merkmal, das überhaupt zu ihrem Erfolg geführt hat: Die Untersuchungsprobe wird unter dem Elektronenmikroskop schrittweise gekippt, um Daten aus ganz unterschiedlichen Positionen zu sammeln. Mit diesem Trick umgehen die Wissenschaftler das zentrale Problem: Die starke Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probe hatte bislang die Elektronenbeugung massiv erschwert. Um den Ausbau der Methode voranzutreiben, kooperieren die Mainzer Chemiker mit Elmar Schömer vom Institut für Informatik sowie mit Thorsten Raasch vom Institut für Mathematik der JGU. Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Originalpublikation «Jiuxing Jiang et al., »Synthesis and Structure Determination of the Hierarchical Meso-Microporous Zeolite ITQ-43», Science 333 [604], 1131–1134 (2011). Kontakt Dr. Ute Kolb Johannes Gutenberg-Universität Mainz Institut für Physikalische Chemie D-55099 Mainz Telefon +49 (0)6131 39 24154 kolb@uni-mainz.de www.staff.uni-mainz.de/kolb/index.html 10 / 2011


CHEMIE

Mikroporöses Polymer als Superkondensator

Neue Akkus braucht das Land

Bild: Kurt Hermann nach [1]

Für zukünftige Elektrofahrzeuge, leistungsfähige Notebooks und andere tragbare elektronische Geräte wird eine neue Generation von Stromspeichermedien benötigt, die den Anforderungen besser gewachsen sind als heutige Akkus. Sogenannte Superkondensatoren sind hier das Material der Wahl. Ein Team um Donglin Jiang von den National Institutes of Natural Sciences in Okazaki (Japan) stellt ein neues Material mit herausragenden Superkondensator-Eigenschaften vor.

Bild 1: Das π-konjugierte mikroporöse Polymer ist leitfähig und lässt Elektrolytionen aufgrund struktureller Merkmale in die Poren. Das Material wird, wenn sich elektrostatische Schichten bei der Trennung der Ladungen bilden, stark kooperativ, liefert hohe Energiedichten und hat eine hervorragende Lebensdauer. (Text und Bild: Angewandte Chemie)

Für Fahrten in der Stadt sind abgasfreie Elektroautos gut geeignet, für Langstrecken dagegen bisher nicht. Probleme bereiten die zu geringe speicherbare Strommenge, die nur relativ kurze Strecken bis zum nächsten Nachladen erlauben, und die begrenzte Stromstärke, die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge limitiert. Sogenannte Superkondensatoren könnten diese Herausforderungen meistern, denn sie vereinen die Vorteile von herkömmlichen Kondensatoren und Batterien: Wie ein Kondensator können sie bei Bedarf rasch hohe Stromdichten liefern, gleichzeitig speichern sie wie eine Batterie eine hohe Menge elektrischer Energie. Superkondensatoren arbeiten nach einem anderen Prinzip der Ladungsspeicherung als Akkus: Sie bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an 14

Bild 2: Schema der Synthese eines «Aza-kondensierten» π-konjugierten mikroporösen Polymers». (Aza-CMP).

beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf. Verschiedene Materialien eignen sich als Superkondensatoren, aber das wirklich perfekte Material wurde bisher noch nicht gefunden. Den Wissenschaftlern in Japan gelang nun ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg.

Mikroporöse organische Polymere Eine Stoffklasse mit interessanten Eigenschaften sind spezielle gerüstartig aufgebaute, mikroporöse organische Polymere. Aufgrund der Anordnungen ihrer Doppelbindungen kann sich ein Teil ihrer Elektronen in ausgedehnten Bereichen des Gerüsts frei bewegen. Daher sind solche Materialien elektrisch leitfähig. Die hohe innere Oberfläche ist wichtig für die Bildung von elektrostatischen LadungstrennungsSchichten in den Poren. Jiang und sein Team haben jetzt ein stickstoffhaltiges Ge-

rüst synthetisiert, dessen Porengrösse optimal ist, um Ionen rasch hinein- und hinauszulassen – Voraussetzung für eine schnelle Aufladung und Entladung. Die Stickstoffzentren treten zudem mit Ionen des Elektrolyten in Wechselwirkungen, die die Ansammlung von Ladungen und die Bewegung von Ionen begünstigen. Das Zusammenwirken dieser verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften verleiht dem neuen Material aussergewöhnlich hohe Stromspeicher-Kapazitäten und hohe Energiedichten. Jiang und seine Kollegen konnten zeigen, dass ihre mikroporösen Gerüste viele Ladezyklen gut überstehen. Quelle: Angewandte Chemie

Originalpublikation [1] Yan Kou1, Yanhong Xu1, Zhaoqi Guo1, Donglin Jiang, «Supercapacitive Energy Storage and Electric Power Supply Using an Aza-Fused π-Conjugated Microporous Framework», Angewandte Chemie 123 [37], 8912–8916 (2011). 10 / 2011


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NEWS

Gute Aussichten für Analysen-, Bio- und Labortechnik Für das laufende Jahr rechnen die deutschen Hersteller von Analysen-, Bio- und Labortechnik laut einer aktuellen Erhebung des Industrieverbands Spectaris (www.spectaris.de) mit einer Umsatzsteigerung von durchschnittlich sechs Prozent. Wachstumspotenzial wird dabei insbesondere im Ausland gesehen. Obwohl sich das Inlandsgeschäft in der ersten Jahreshälfte positiv entwickelt hat, fällt die Gesamtjahresprognose eher

bescheiden aus. Demnach wird der Inlandsumsatz in 2011 mit 2,95 Milliarden Euro um etwas mehr als drei Prozent über dem Vorjahresniveau liegen. Beim Auslandsumsatz rechnen die Firmen dagegen, nach einer ebenfalls positiven ersten Jahreshälfte, mit einem Zuwachs von knapp acht Prozent auf dann 3,53 Milliarden Euro. Bei einer Exportquote von rund 54 Prozent läge damit der Gesamtumsatz in 2011 mit 6,48 Milliarden

Euro um knapp sechs Prozent über dem Wert des Vorjahrs. Aufgrund der positiven Umsatzerwartung ist auch die Prognose der Beschäftigtenentwicklung erfreulich. Demnach könnten bis zum Jahresende rund 36 300 Mitarbeiter bei den 330 Industriebetrieben beschäftigt sein. Das entspricht einem Plus von 1,9 Prozent. Die hohe Exportquote verdeutlicht die grosse Bedeutung des Auslandsgeschäfts für die Fir-

men. Positive Impulse mit zweistelligen Wachstumsraten kommen derzeit insbesondere aus Asien sowie aus Mittel- und Südamerika. China und Indien spielen dabei als Wachstumstreiber eine wichtige Rolle. Auch für Nordamerika und Westeuropa sind die Wachstumsaussichten 2011 grundsätzlich positiv. Uneinheitlich wird dagegen insbesondere die weitere Entwicklung im Nahen Osten bewertet. ■

Bild: ETH

Marcel-Benoist-Preis für Michele Parrinello

Michele Parrinello

Der Rat der Marcel-Benoist-Stiftung hat den Marcel-BenoistPreis 2011 Michele Parrinello zugesprochen. Der Physiker mit

einer Doppelprofessur an der ETH Zürich und der Università della Svizzera italiana (USI), wird für seine computergestützten Modellierungen im Bereich der Molekulardynamik ausgezeichnet. «Für mich ist das eine grosse Ehre. Ich weiss zwar, dass ich in der Schweizer Forschungslandschaft gut integriert bin, doch der Preis ist noch einmal eine Bestätigung dafür», freut sich Parrinello, der Empfänger des «schweizerischen Nobelpreises» Seine Karriere führte Parrinello von Triest an das IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon

und zum Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, dem er weiterhin als Mitglied angehört. Seit 2001 ist Parrinello Professor für Computational Science an der ETH Zürich und war bis 2003 Direktor des Schweizerischen Nationalen Hochleistungsrechenzentrums (CSCS) in Manno. Noch heute nimmt das CSCS eine wichtige Rolle in Parrinellos Forschung ein, da er für seine komplexen Simulationen die Hochleistungsrechner des CSCS nutzt. Seit diesem Jahr hat Parrinello eine Doppelprofessur an der ETH und der USI.

Der 1945 in Italien geborene Parrinello wurde für seine Arbeiten bereits mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet. Darunter sind der Preis für theoretische Chemie 2001 der American Chemical Society, der RahmanPreis 1995 der American Physical Society und der HewlettPackard-Preis 1990 der European Physical Society. Er ist Mitglied zahlreicher wissenschaftlicher Organisationen.

Quelle: ETH Life vom 2. September 2011, stark gekürzt

Bild: Maya Varenka Kovats

Ernährungspreis 2011: Lieber fasten als naschen

Ferdinand von Meyenn

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Ferdinand von Meyenn vom Institut für Molekulare Systembiologie der ETH Zürich hat den Nestlé Ernährungspreis 2011 in der Kategorie Wissenschaft gewonnen. Ausgezeichnet wird der Nachwuchsforscher für seine Forschung über die molekulare Wirkung von Insulin im Zusammenhang mit ungesundem Ernährungsverhalten und Übergewicht. Wer sich wenig bewegt und zugleich übermässig isst, riskiert,

dass er oder sie im fortgeschrittenen Alter an Typ II Diabetes erkrankt. Der Auslöser für diesen Teufelskreis von Essverhalten, Bewegungsarmut und Übergewicht ist ein molekularer Schalter, der durch Insulin gesteuert wird. Für die Entdeckung dieses Zusammenhangs hat Ferdinand von Meyenn, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für molekulare Systembiologie, den mit 15 000 Franken dotierten Ernäh-

rungspreis 2011 von Nestlé Schweiz im Bereich Wissenschaft gewonnen. Der Preis wurde am Freitag, 16. September 2011, an der Jahrestagung der Schweizerischen Gesellschaft für Ernährung (SGE) in Bern, überreicht. Quelle: ETH Life

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NEWS

EU-Gelder für sieben Zürcher Forscher Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat zum vierten Mal die ERC Starting Grants vergeben. Sieben Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universität Zürich erhalten über über zehn Millionen Euro. Dieses Jahr fördert die EU rund 480 europäische Forscher aus den Sozialwissenschaften, den Life Sciences und aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften mit einem ERC Starting Grant. Die EU-Forschungskommissarin Máire GeogheganQuinn sagt: «Mit diesen Stipendien investiert der ERC sowohl in neue Projekte als auch in neue Talente».

IN KÜRZE ■ Lonza (www.lonza.com ) hat mit Pasteuria Bioscience einen Prozesstransfer und einen Produktionsplan zur Herstellung von Pasteuria-Sporen in der biochemischen Anlage von Lonza in Kourim, Tschechische Republik, bekantgegeben. Ende 2011 wird Lonza mit der Produktion von Pasteuria-Sporen beginnen. Das biologische Nematizid basiert auf dem natürlichen Mikrobion Pasteuria spp., welches im Boden gefunden wird und schädliche Nematoden (Fadenwürmer) infiziert und abtötet. ■ Harvard, Stanford, MIT, University of California, Berkeley: So lautet die aktuelle Reihenfolge der Spitzenplätze, welche die Shanghai Jiao Tong University im diesjährigen Academic Ranking of World Universities (ARWU) kürzlich veröffentlicht hat. Cambridge als beste europäische Universität kommt auf

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Die über zehn Millionen Euro, die in Rahmen der vierten Vergabe an die ETH und an die Universität Zürich (UZH) fliessen, sind ein Qualitätsausweis für die Grundlagenforschung des Forschungsstandorts: Die sieben Zürcher Projekte werden mit 1,1 bis zu 1,7 Mio. Euro unterstützt. Von der UZH erhalten einen ERC Advanced Grant: • Felix Kübler, Professor am Institut für Banking und Finance für sein Projekt • Florian Schiestl, Professor am Institut für Systematische Botanik. Von der ETH Zürich erhalten einen ERC Advanced Grant:

Beim Starting Independent Researcher Grant handelt es sich um ein Förderinstrument des Europäischen Forschungsrats, mit dem er Projekte von vielversprechenden Wissenschaftstalenten unterstützt und ihnen den Aufbau einer eigenen Forschungsgruppe ermöglicht. In den nächsten fünf Jahren wird der ERC 670 Millionen Euro ausschütten. Die Empfänger sind im Schnitt 36 Jahre alt. Ein Viertel sind Frauen. Unter den Preisträgern befinden sich 22 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an einer Forschungsinstitution in der Schweiz arbeiten.

IN KÜRZE

den fünften Platz. Die ETH Zürich liegt als beste Hochschule Kontinentaleuropas wie im Vorjahr weltweit auf Rang 23. In den Fächerwertungen schneidet das Fach Chemie der ETH hervorragend ab: Sie ist dabei wie im Vorjahr auf Platz fünf klassiert, hinter Harvard, Berkeley, Stanford und Cambridge. ■ An der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Wädenswil haben insgesamt 423 neue Studierende ihr Studium in Biotechnologie, Chemie, Lebensmitteltechnologie, Umweltingenieurwesen oder Facility Management aufgenommen mit dem Ziel, das Studium mit dem Bachelor-Titel abzuschliessen. Im Vorjahr waren es 419. ■ Lonza (www.lonza.com ) hat am 1. September das 40-jährige Jubiläum ihrer Niacin-Pro-

IN KÜRZE

duktion in Visp gefeiert. Als weltgrösster Vitamin-B3-Hersteller seit über vier Jahrzehnten liefert Lonza mehr als die Hälfte des totalen Vitamin-B3-Bedarfs an die weltweite Futterund Nahrungsmittelindustrie. Im vierten Quartal 2012 ist die Eröffnung einer neuen Vitamin-B3-Produktionsstätte auf dem Life-Sciences Campus in Nansha, China, vorgesehen. ■ Evonik Industries, Essen, hat im badischen Rheinfelden mit dem Bau einer zweiten Produktionsanlage für Hexachlordisilan (HCDS) begonnen. Der Produktionsstart ist für die zweite Jahreshälfte 2012 geplant. Hexachlordisilan ist ein silizciumhaltiger Rohstoff für die Halbleiterindustrie und wird unter anderem für die effiziente und kostengünstige Herstellung von Speicherchips mit sehr hoher Speicherdichte eingesetzt. Solche

• Philipp Werner, SNF-Förderungsprofessor für theoretische Physik • Yaakov Benenson, Assistenzprofessor für Synthetische Biologie • Daniel Wolfram Gerlich, Dozent und Forschungsgruppenleiter am Departement Biologie • Ansgar Kahmen, Dozent am Institut für Agrarwissenschaften • Joost VandenVondele, derzeit Forschungsgruppenleiter am Physikalisch Chemischen Institut der UZH. Quellen: ETH Zürich, UZH

IN KÜRZE

Flash-Speicher finden sich beispielsweise in Smartphones, Digitalkameras, MP3-Playern oder USB-Sticks. Auch Computer nutzen zunehmend statt der üblichen Festplatten sogenannte Solid State Drives, die aus FlashSpeicherchips bestehen. ■ Die niederländische Vertriebsgesellschaft von Endress+ Hauser hat einen Neubau in Naarden, 20 Kilometer südöstlich von Amsterdam gelegen, bezogen. Das moderne Bürogebäude kostete knapp acht Millionen Euro. Es wurde aus umweltfreundlichen Materialien errichtet und erfüllt hinsichtlich des Energieverbrauchs hohe Standards. Auf fast 5000 Quadratmetern Nutzfläche ist neben Büros, einer Werkstatt und Logistikflächen auch ein Restaurant untergebracht. Im Bedarfsfall kann das Gebäude problemlos erweitert werden. ■

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BIOWISSENSCHAFTEN

Bakterium in Raupendarm mit molekularem Eisenspeicher

Struktur eines Proteins, das Eisen speichern kann Max-Planck-Wissenschaftler aus Jena und Tübingen haben die räumliche Struktur eines bakteriellen Enzyms aus Microbacterium arborescens aufgeklärt, das mehrere hundert Eisenionen in seinem Zentrum anreichern kann, und zwar je nach Lage der Eisenversorgung in seiner Umgebung: zum Beispiel dem Raupendarm der Zuckerrübeneule (Spodoptera exigua). Das Enzym verhindert durch seine zusätzliche Peroxidase-Aktivität das Auftreten von zellschädigenden Sauerstoffradikalen. Überdies katalysiert es die Hydrolyse und Bildung von N-Acylglutaminen, Verbindungen der Aminosäure Glutamin mit Fettsäuren.

Mikroben sind allgegenwärtig auf dieser Erde. Nicht nur freilebend, sondern auch in Gemeinschaft mit anderen, höheren Organismen werden sie gefunden. Dank moderner biologischer Verfahren kommt man heute diesen «mikrobiellen Mitbewohnern» auf die Spur, und ihre Rolle innerhalb der Lebensgemeinschaft kann genau studiert werden. Microbacterium arborescens ist ein Bakterium, das sich unter anderem in den Därmen von pflanzenfressenden Raupen aufhält. Die Abteilung Bioorganische Chemie des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Jena erforscht die Wechselwirkungen zwischen Insekten und Mikroben, die mit oder in ihnen leben. Worin besteht der Vorteil für beide? Wie stark hängen beide voneinander ab? Haben die Mikroben eine Funktion bei der Interaktion zwischen Frassinsekt und Wirtspflanze?

Darmbewohner der Zuckerrübeneule

Bild: Wikipedia (PLoS Biol 2/8/2004: e250)

Im Verlauf von Experimenten zur Beantwortung solcher Fragen stiessen die Wis-

Bild 1: Larve von Spodoptera exigua auf Tabakpflanze.

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Bild 2: Molekulare Struktur des Enzyms NAcyl-Aminosäure-Hydrolase (AAH) aus Microbacterium arborescens. Darstellung der Proteinoberfläche mit negativen (roten) und positiven (blauen) Ladungen. Das Dreieck kennzeichnet die Eisenaufnahmepore.

senschaftler auf ein Enzym, das sie aus M. arborescens gewonnen hatten – einem Darmbewohner der Zuckerrübeneule Spodoptera exigua. Es wurde aufgrund seiner katalytischen Eigenschaften als N-Acyl-Aminosäure-Hydrolase (AAH) bezeichnet, weil es die Synthese/Hydrolyse von Amino-/ Fettsäureverbindungen betreibt, die über den Speichel und Darminhalt der Raupe in die befallene Pflanze gelangen und dort deren Abwehrmechanismen auslösen. Die Klonierung und Sequenzierung des AAH-kodierenden Gens führte zu einem interessanten Ergebnis: AAH ist eng verwandt mit Proteinen aus anderen Mikroorganismen, und zwar den «DNA protection during starvation (DPS)»-Proteinen, die an das Erbmolekül binden und durch Kristallisation schützen, sobald Mikroben in einen Mangelzustand verfallen.

Jelena Pesek, Doktorandin in der Abteilung Bioorganische Chemie des Instituts, war jedoch erstaunt, dass sich das Enzym AAH aus M. arborescens von den DPS-Enzymen anderer Mikroben dahingehend unterscheidet, dass es im Darm die Konzentration der für die Pflanze-Insekt-Interaktion wichtigen N-Acylglutamine regulieren kann. Weiterhin kann das Enzym in seinem Inneren Eisenionen speichern. Ist freies zweiwertiges Eisen [Fe(II)] im Überschuss vorhanden, entstehen aus Wasserstoffperoxid, das von den Darmzellen des Insekts zur Abwehr von Mikroorganismen gebildet wird, für die Zelle gefährliche Sauerstoffverbindungen in Form von Hydroxylradikalen durch einen als Fenton-Reaktion bezeichneten Vorgang: Fe2+ + H2O2 ➝ Fe3+ + OH – + HO

Entwicklungsbiologie und Ökologie Das reaktionsfreudige Hydroxylradikal HO · schädigt vor allem die DNA und verursacht so gefährliche Mutationen im Erbgut. In Zusammenarbeit mit Kornelius Zeth vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen gelangen den Wissenschaftlern schliesslich die Kristallisation und die Röntgenstrukturaufklärung und damit auch die Analyse des Eisentransportmechanismus des Enzyms. Das Protein besteht aus 12 identischen Untereinheiten und weist eine Molekülmasse von insgesamt 204 Kilodalton auf – eine für ein Enzym beachtliche Grössenordnung. Das Homooligomer ist rund und im Inneren hohl (Bild 2). In diesem Hohlraum können 500 Eisenatome als dreiwertiges Eisen 10 / 2011


Bilder 2 und 3: Kornelius Zeth, MPI Tübingen

THE CHEMICAL DIVISION

FILLING VISIONS

Bild 3: Molekulare Struktur des Enzyms N-Acyl-Aminosäure-Hydrolase (AAH) aus Microbacterium arborescens. Längsschnitt durch die Pore mit Darstellung des Eisenaufnahmemechanismus. Eintretende Eisen(II)ionen, von 6 Wassermolekülen umgeben (räumliche Darstellung im Kasten unten rechts), werden zu Eisen(III)ionen oxidiert und verlieren dabei ihre Hydrathülle, bevor sie im Inneren des Moleküls eingelagert werden.

(überwiegend in Form von Fe2O3) gespeichert werden. Dabei bietet der Transport des Eisens in diesen Hohlraum eine Besonderheit: Das kugelförmige Protein besitzt vier selektive Poren, die nur zweiwertige Eisenionen mitsamt ihrer Hydrathülle aus sechs Wassermolekülen durchtreten lassen. Im Innern der Hohlkugel werden die Eisenionen an Ferroxidase-Zentren zu dreiwertigem Eisen umgewandelt, wodurch das gefährliche H2O2 unschädlich gemacht wird, indem daraus Wasser gebildet wird (Bild 3). Die Wissenschaftler vermuten, dass N-AcylAminosäure-Hydrolase das Überleben von M. arborescens unter den harschen und je nach Nahrungsqualität wechselnden Bedingungen im Darm der Raupe sicherstellt. Das Enzym schützt vor oxidativem Stress, indem es durch Speicherung die Konzentration an freiem Fe(II) reduziert und gleichzeitig H2O2 als Quelle für zellschädigende Radikale unwirksam macht. In welchem evolutionären Zusammenhang die durch die AAH ebenfalls katalysierte Bildung und Hydrolyse der N-Acylglutamine steht, ist unklar. Solche Verbindungen könnten der Raupe den Vorteil verschaffen, ihre Blattnahrung besser zu verdauen. Im Verlauf der Evolution haben die attackierten Wirtspflanzen dann «gelernt», diese Verbindungen, die beim Raupenfrass in ihre Blätter eindringen, als chemisches Warnsignal zu 10 / 2011

verwerten, um ihre Abwehr gegen den Schädling gezielt zu mobilisieren. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Originalpublikation Jelena Pesek, Rita Buechler, Reinhard Albrecht, Wilhelm Boland and Kornelius Zeth, «Structure and mechanism of iron translocation by a DPS protein from Microbacterium arborescens», The Journal of Biological Chemistry 286, First Published on July 16, 2011, doi: 10.1074/jbc.M111.246108 Kontakt Prof. Dr. Wilhelm Boland Max-Planck-Institut für chemische Ökologie Hans-Knöll-Strasse 8 D-07745 Jena Telefon +49 (0)3641 57 1200 boland@ice.mpg.de www.ice.mpg.de

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BIOWISSENSCHAFTEN

Bekämpfung von Diabetes

Betazellen zur Teilung angeregt Ein Forscherteam unter der Leitung von Markus Stoffel, Professor für Stoffwechselerkrankungen am Institut für molekulare Systembiologie der ETH Zürich hat in Zusammenarbeit mit Roche einen bisher unbekannten Mechanismus aufgedeckt, der die Insulin produzierenden Betazellen negativ beeinflusst. Jetzt besteht Hoffnung, diese Zellen medikamentös zur Vermehrung anzuregen, um Diabetes bekämpfen zu können.

Bace1 ist kein unbekanntes Enzym. Es ist die Protease, die im Gehirn das AmyloidProtein schneidet und damit wohl massgeblich zur Alzheimer-Krankheit beiträgt. Vom nahe verwandten Bace2 hingegen wusste man bislang nur, dass es zu dieser Erkrankung keinen Beitrag leistet, da es in Nervenzellen kaum vorhanden ist. Nun hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Markus Stoffel, Professor für Stoffwechselerkrankungen am Institut für molekulare Systembiologie der ETH Zürich, für Bace2 sowohl eine Funktion als auch eine neue «Heimat» gefunden: Das Enzym kommt hauptsächlich in den Betazellen der Bauchspeicheldrüse vor und hemmt dort die Teilung dieses Zelltyps. Wie Bace1 ist auch Bace2 ein Schneidewerkzeug, eine sogenannte Membranpro-

Bild: [1] (Daria Esterházy et al.)

Peter Rüegg

Bild 1: Betazellen des Menschen (rote Insulinfärbung) können sich teilen (grüne Zellkerne, in denen gefärbte, neu eingebaute DNA angereichert ist, im Unterschied zu den ausschliesslich blauen Kernen) – vielleicht mittels Bace2-Inhibierung auch im Diabetiker?

tease. Sie ist in die Membran eingebettet und schneidet Zelloberflächenmoleküle, die sie dadurch inaktiviert. Als möglicherweise wichtigstes Substrat von Bace2 bestimmte die Forschungsgruppe das wachstumsstimulierende Protein Tmem27. Fällt dieses aufgrund der Aktivität von Bace2 aus, vermehren sich die Zellen weniger schnell oder gar nicht. Umgekehrt gesagt: Je inaktiver Bace2 ist, desto stärker teilen sich die Betazellen.

Ohne Protease blühen Betazellen auf Betazellen sind für die Regulierung des Zuckerhaushalts des Körpers essentiell. Sie produzieren Insulin, das die Aufnahme von Glucose in Zellen reguliert. Sind die Betazellen beschädigt oder sterben sie ab, entsteht Diabetes, die Zuckerkrankheit. Dass die Theorie mit dieser Membranprotease stimmt, überprüfte das Team in ge20

netisch veränderten Mäusen, denen aktives Bace2 fehlt. Die Forscher fanden bei diesen Tieren tatsächlich mehr Tmem27 in den Membranen der Betazellen. Die Mäuse verfügten zudem über mehr Betazellen, die auch mehr Insulin ausschütteten. Die Forscher haben aber auch einen Weg gefunden, um aktives Bace2 zu hemmen. Sie fanden nämlich in der Substanzbibliothek der Firma Roche einen spezifischen Inhibitor für diese Protease. Erhielten diabetische Mäuse diese Substanz verabreicht, begannen sich ihre Betazellen zu vermehren. Der Zuckerhaushalt der Tiere verbesserte sich – ein Zeichen dafür, dass die neu entstandenen Zellen tatsächlich Insulin produzierten. Hoffnung besteht auch für Diabetiker: Bace2 und Tmem27 liegen auch in der menschlichen Betazelle vor, sodass möglicherweise zuckerkranke Menschen dereinst von der Bace2-Hemmung profitieren könnten.

RNS-Interferenz bringt Bace2 ans Licht Auf diesen Mechanismus sind die Forscher recht einfach gekommen: Sie wussten, dass eine unbekannte Protease Tmem27 zerschneiden muss. In der Hoffnung, den Anteil von Tmem27 in der Zellmembran zu erhöhen und dadurch die Funktionen und das Wachstum der Betazellen zu verbessern, machten sie sich auf die Suche nach einem entsprechenden Enzym. Sie untersuchten systematisch in der Betazelle vorhandene Proteasen. Mittels der sogenannten RNA-Interferenz inaktivierten die Forschenden spezifisch einzelne Gene, darunter auch das Gen für Bace2. So bemerkten sie, dass sich nach dem Ausschalten von Bace2 keine Tmem27-Trümmer mehr bilden und sich der Bestand des intakten Proteins er10 / 2011


BIOWISSENSCHAFTEN

hÜhte. Dass just Bace2 die Protease sein wßrde, konnten wir nicht ahnen, sagt rßckblickend Stoffel. Tmem27 ist jedoch mÜglicherweise nicht das einzige Angriffsziel von Bace2. Die Forscher erwarten, dass eine Kombination verschiedener Substrate bei Zellvermehrung und Insulinsekretion zusammenspielen. In ihrer Publikation [1] in Cell Metabolism haben die Wissenschaftler festgehalten, dass bei Mäusen die Blockierung von Bace2 zwar Tmem27 rasch stabilisiert und innerhalb von Tagen die Zellvermehrung messbar wird. Dass aber die Insulinwerte ebenso rasch steigen, konnten die Forscher nicht beobachten. Auf die Zellteilung mßssen daher mÜglicherweise auch eine Neu-Programmierung der Zellen sowie eine Umstrukturierung der Pankreasinseln folgen, was die erhÜhte Insulinsekretion erst ermÜglicht. Physiologisch ist es sinnvoll, dass

der KÜrper Kontrollmechanismen kennt. Wßrde plÜtzlich zu viel Insulin produziert, droht eine Unterzuckerung, die genauso gefährlich ist.

Bace2 wichtig fßr das Gleichgewicht? Wozu aber hat der Mensch Bace2? Dieses Enzym ist per se kein Malheur, wir leben alle damit, sagt Dara Esterhåzy, die Hauptautorin der Studie. Denn die Betazellmasse ist nicht starr und passt sich im Laufe des Lebens an neue Umstände an. So wird sie zum Beispiel während einer Schwangerschaft gesteigert, danach aber wieder abgebaut. Bei dieser Dynamik kÜnnte Bace2 eine Rolle spielen. Allerdings ist die Bace2Aktivität fßr jene Menschen ein Nachteil, deren Betazellmasse bereits verringert ist. Bis zu einer mÜglichen Therapie fßr Diabe-

tiker wird es allerdings noch eine Weile dauern. Esterhåzy hofft, dass sich die Situation auch fßr Patienten mit Typ1-Diabetes verbessern lässt. Bei ihnen finden sich in der Regel immer noch ein paar wenige intakte Betazellen. KÜnnte man sie zur Teilung anregen, wäre das fantastisch, sagt die ETH Forscherin. Quelle: ETH Life vom 7. September 2011

Originalpublikation [1] Daria EsterhĂĄzy et al., ÂŤBace2 Is a Ă&#x; Cell-Enriched Protease that Regulates Pancreatic Ă&#x; Cell Function and MassÂť, Cell Metabolism 14 [3], 365–377 (2011).

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BIOWISSENSCHAFTEN

Mögliche Ansatzpunkte für Gentherapien

Bakterien schleusen DNA in menschliche Zellen ein Bakterielle Krankheitserreger können genetische Informationen in Form von DNA in menschliche Wirtszellen übertragen. Am Beispiel des Bakteriums Bartonella konnten Forscher des Biozentrums der Universität Basel dies jetzt erstmals nachweisen. Der zugrunde liegende Mechanismus des DNA-Transfers liefert mögliche Ansatzpunkte für Gentherapien und neue Strategien zur Bekämpfung von Erbkrankheiten.

genetische Veränderungen gezielt die Grösse, Sequenz und Anzahl der übertragenen DNA-Moleküle zu verändern.

Bild: Universität Basel

Dauerhafte Ausprägung der übertragenen DNA

Bild 1: Zwei Bartonella-Bakterien unter dem Elektronenmikroskop.

Das Bakterium Bartonella überträgt mithilfe einer molekularen Injektionsnadel («TypIV-Sekretionssystem») einen Cocktail bakterieller Proteine in menschliche Zellen, was diesem Erreger die Auslösung chronischer Infektionen ermöglicht. Die Forschungsgruppe von Christoph Dehio am Biozentrum der Universität Basel konnte nun nachweisen, dass die Injektionsnadel auch DNA übertragen kann, ähnlich wie dies für den Gentransfer zwischen Bakterien (konjugativer DNA-Transfer) bekannt ist. Darüber hinaus ist es den Forschern gelungen, durch

Die durch die Injektionsnadel übertragene DNA kann in der menschlichen Wirtszelle in das Genom im Zellkern eingebaut werden. Diesen natürlichen DNA-Transferprozess könnte man sich zunutze machen, um gezielt bestimmte genetische Informationen mittels Bakterien in menschliche Zellen einzuschleusen und dauerhaft auszuprägen. Die eingebrachte DNA könnte bestehende defekte DNA-Abschnitte im genetischen Material der Zelle ersetzen und so neue Ansätze für Gentherapien liefern.

ergebnisse einen enormen Vorteil für mögliche therapeutische Eingriffe dar. «Es ist denkbar, einen bakteriellen Erreger, der normalerweise Infektionen auslöst, so zu verändern, dass er sich für eine Gentherapie beim Menschen einsetzen lässt. Dies wäre im Hinblick auf verschiedenste Gendefekte ein vielversprechender Therapieansatz», so Dehio. Quelle: Universität Basel Originalpublikation Gunnar Schröder, Ralf Schuelein, Maxime Quebatte, und Christoph Dehio, «Conjugative DNA-transfer into human cells by the VirB/VirD4 type IV secretion system of the bacterial pathogen Bartonella henselae», PNAS 108 [35], 14643–14648 (2011).

Neuer Ansatz für Gentherapie Der Nachweis des bakteriellen DNA-Transports in menschliche Zellen und die Möglichkeit, Menge und Grösse der DNA-Moleküle zu steuern, ist bislang einmalig. Im Unterschied zu Viren, die nur relativ kurze DNA-Abschnitte in menschliche Wirtszellen einbringen können, ist die Grösse der durch Bakterien transferierten DNA nicht limitiert. Daher stellen die vorliegenden Forschungs-

Kontakt Prof. Dr. Christoph Dehio Biozentrum der Universität Basel Klingelbergstrasse 50/70 CH-4056 Basel Telefon +41 (0)61 267 21 40, christoph.dehio@unibas.ch

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Entstehung von Spiralglaxien

Erstmals Einblick in die Geburt der Milchstrasse

Bilder: zvg

Seit bald zwanzig Jahren versuchen Astrophysiker, die Entstehung von Spiralgalaxien wie zum Beispiel unserer Milchstrasse realistisch nachzubilden. Jetzt präsentieren Astrophysiker der Universität Zürich zusammen mit Astronomen der University of California at Santa Cruz die erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung unserer Heimatgalaxie. Die Resultate wurden teilweise auf dem Rechner des Swiss National Supercomputing Centres CSCS berechnet und zeigen beispielsweise, dass es am äussersten Rand der Milchstrasse Sterne geben muss.

Bild 1: Links: Seitenansicht der simulierten Galaxie mit dem von den simulierten Sternen emittierten Licht. Die Galaxie besteht aus einer dünnen Scheibe von Sternen und einem helleren, schmalen Buckel im Zentrum. Rechts: Seitenansicht der realen Milchstrasse im Infrarotspektrum, in welchem Sterne das meiste ihres Lichtes emittieren. Unser Sonnensystem liegt im inneren der Scheibe.

Astrophysikalische Simulationen haben zum Ziel, die Wirklichkeit unter Berücksichtigung der physikalischen Gesetze und Prozesse abzubilden. Astronomische Himmelsbeobachtungen und astrophysikalische Simulation müssen sich exakt entsprechen. Ein komplexes System wie zum Beispiel die Ent stehung der Milchstrasse wirklichkeitsgetreu simulieren zu können, bildet den letzten Nachweis, dass die zugrunde liegenden Theorien der Astrophysik stimmen. Alle bisherigen Versuche, die Entstehung von Spiralgalaxien wie die Milchstrasse zu simulieren, scheiterten an einem von zwei Punkten: Entweder wiesen die simulierten Spiralgalaxien im Zentrum zu viele Sterne auf oder aber die gesamte Sternmasse war um ein Vielfaches zu gross. Eine Forschungsgruppe unter der gemeinsamen Leitung von Lucio Mayer, Astrophysiker an der Universität Zürich, und Piero Madau, Astronom an der University of California at Santa Cruz, publiziert jetzt im «Astrophysical Journal» die erste wirklichkeitsgetreue Simulation zur Entstehung der Milchstrasse. Javiera Guedes und Simone Callegari, die in Santa Cruz beziehungswei24

se an der UZH promovieren, führten die Simulation aus und analysierten die Daten.

Ausschleudern von Standardmaterie zentral Für ihre Arbeit entwickelten die Wissenschaftler eine höchst komplexe Simulation, bei der sich eine der Milchstrasse ähnliche Spiralgalaxie ohne weiteres Zutun aus sich selbst entwickelt. Die Simulation – wegen der jahrzehntelangen Debatten um die Entstehung von Spiralgalaxien nach Eris, der griechischen Göttin der Zwietracht, benannt – gestattet im Zeitraffer einen Einblick in nahezu die gesamte Entstehungsgeschichte einer Spiralgalaxie. Ihren Anfang nimmt sie weniger als eine Million Jahre nach dem Urknall. «Unser Resultat beweist, dass sich auf Basis der Grundprinzipien des ‹kalteDunkle-Materie-Paradigmas› und der physikalischen Gesetze von Gravitation, Fluiddynamik und Strahlenphysik eine wirklichkeitsgetreue Spiralgalaxie bilden lässt», erläutert Mayer die Simulation. Die Simulation zeigt weiter, dass in einem Gebilde, welches sich zu einer Spiralgalaxie

entwickeln soll, die Sterne in den Bereichen mit riesigen aufgelösten Gaswolkenkomplexen entstehen müssen. In diesen kalten molekularen Riesenwolken weisen die Gase extrem hohe Dichten auf. Die Sternbildung und Verteilung erfolgt dort nicht gleichmässig, sondern klumpig und in Haufen. Dies wiederum führt zu einer wesentlich grösseren Erhitzung durch lokale Supernova-Explosionen. Durch diese massive Erhitzung wird unter hoher Rotverschiebung sichtbare Standardmaterie ausgeschleudert. Dies verhindert die Bildung einer gewölbten Scheibe im Zentrum der Galaxie. Das Ausschleudern von baryonischer Materie, wie die sichtbare Standardmaterie auch genannt wird, reduziert zudem die Gesamtmasse an vorhandenem Gas im Zentrum. Dies führt dazu, dass die richtige Sternmasse gebildet wird, wie sie auch in der Milchstrasse zu beobachten ist. Am Ende der Simulation resultiert eine schmale, gekrümmte Scheibe, die den astronomischen Beobachtungen an der Milchstrasse in Bezug auf die Verhältnisse von Masse, Drehimpuls und Rotationsgeschwindigkeit völlig entspricht. 10 / 2011


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Fßr die Berechnungen wurde das Modell weiterentwickelt, welches Mayer und Kollegen im Zusammenhang mit der Simulation der Entstehung scheibenfÜrmiger Zwerggalaxien erarbeitet hatten. Das hoch auflÜsende Modell simuliert die Entstehung einer Galaxie mit 790 Milliarden Sonnenmassen und umfasst 18,6 Millionen Partikel, aus denen sich Gase, Dunkle Materie und Sterne bilden. Die hohe AuflÜsung der numerischen Simulationen bildet die Voraussetzung fßr die bahnbrechenden neuen Erkenntnisse. Fßr die Berechnungen kamen die Hochleistungs-Supercomputer Cray XT5 Monte Rosa am Swiss National Supercomputing Centre CSCS der ETHZ und Pleiades der NASA Advanced Supercomputer Division zum Einsatz. Ein regulärer PC hätte fßr die Berechnungen 570 Jahre benÜtigt.

Sterne und Gase am Rand, heisse Gase im Zentrum Die neue Simulation bestätigt die von Mayer frßher publizierten Resultate zur Entstehung von scheibenfÜrmigen Zwerggalaxien und zeigt, dass das Modell – im Gegensatz zu allen bisherigen Ansätzen – sowohl kleine als auch sehr grosse Galaxien wirklichkeitsgetreu abbilden kann. Weiter kann aus der Simulation abgeleitet werden, dass Protogalaxien mit einer grossen, aus Gasen und Sternen bestehende Scheibe im Zentrum bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall und damit lange vor der Bildung unserer heutigen Galaxien entstanden sind. Aufgrund der Simulation ist auch das Ver-

Bild: Universität Zßrich

Eine astronomische Rechnerleistung

Bild 2: Links: Ein Bild der simulierten Galaxie mit Gasen (rot) und Sternen (blau). Rechts: Ein Falschfarben-Bild der Galaxie M74, Gase (rot) und Sterne (blau). Die aus Gasen bestehenden Spiralarme sind in der simulierten und in der echten Galaxie deutlich zu erkennen.

hältnis von kalter-Dunkler-Materie (CDM) und Standardmaterie in Spiralgalaxien zu korrigieren. Um die richtige Gesamtsternmasse im Endstadium der Galaxie zu erhalten – bis anhin jeweils eine der grÜssten Schwierigkeiten – ist es zwingend, dass Standardmaterie durch Supernova-Winde aus dem Zentrum ausgeschleudert wird. Am äussersten Rand des CDM-Rings einer Spiralgalaxie ist anhand der Simulation zu erwarten, dass das Verhältnis Standardmaterie zu CDM nicht wie bisher angenommen 1:6, sondern 1:9 beträgt. Die Simulation sagt zudem fßr den sechshunderttausend Lichtjahre entfernten äussersten Halo der Milchstrasse Sterne und Gase voraus. Erst die nächste Generation an Raumsonden und Teleskopen wird in der Lage sein, diese nur sehr schwach leuchtenden Sterne zu detektieren. Weiter macht die Simulation Voraussagen in Bezug auf die radiale Verteilung von heissen Gasen um die zentrale Scheibe der Galaxie.

Zukßnftige Teleskope, die RÜntgenstrahlen messen kÜnnen, wie sie zum Beispiel die IXO-Mission der European Space Agency ESA plant, werden diese Vorhersage prßfen. Quelle: Universität Zßrich Originalpublikation Javiera Guedes, Simone Callegari, Piero Madau, Lucio Mayer, Forming Realistic Late-Type Spirals in A CDM Universe: The Eris Simulation, Astrophysical Journal (2011). Kontakt Prof. Lucio Mayer Universität Zßrich Institut fßr Theoretische Physik Winterthurerstrasse 190 CH-8057 Zßrich Telefon +41 (0)44 635 61 97 lmayer@physik.uzh.ch www.itp.uzh.ch

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F O R S C H U N G S W E LT

Harte Röntgenstrahlung, 100 000-fach konzentriert

Diamanten sind auch des Forschers bester Freund Bereits vor dem Bau des geplanten Röntgenlasers SwissFEL läuft am Paul Scherrer Institut die Entwicklung der Instrumentierung für diese extrem helle Lichtquelle an. Nun ist es einem vom PSI geleiteten Forscherteam gelungen, harte Röntgenlaserstrahlung 100 000-fach zu konzentrieren und so an einem Punkt Röntgenstrahlung zu erzeugen, die so intensiv war wie wohl nirgends zuvor. Als Linsen verwendeten die Forscher winzige Ringstrukturen aus Diamant – dem Material, das am besten dem Röntgenlaserlicht standhält. Mit solch intensiver Strahlung erhoffen sich Röntgenphysiker und Biologen unter anderem, die atomare Zusammensetzung und Funktionsweise komplexer Biomoleküle zu entschlüsseln, und so die Grundlage für neue Medikamente zu schaffen.

Bild 1: Christian David im Labor. Die Linsen werden in die metallische Testkammer eingebaut.

An verschiedenen Orten weltweit entstehen Röntgenlaser – Röntgenlichtquellen einer neuen Generation, die auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers beruhen. Seit 2010 liefert der amerikanische Röntgenlaser LCLS in Stanford, erste Laserpulse im harten Röntgenbereich, seit Juni 2011 auch die Anlage Sacla im japanischen Hyogo. Am PSI soll 2016 mit dem SwissFEL eine vergleichbare Forschungsanlage in Betrieb gehen. Die Röntgenstrahlung wird in extrem kurzen Lichtblitzen ausgesandt, die nur rund 0,0000000000001 Sekunden (100 Femtosekunden) dauern und deren Helligkeit die der heute verfügbaren Röntgenquellen um das Milliardenfache übertrifft. 26

Viele neue Experimente Diese einmalige Kennzahl ermöglicht Forschern viele neue wissenschaftliche Experimenten in den verschiedensten Disziplinen. Die Beobachtung von Materie unter derart extremer Bestrahlung schafft Erkenntnisse in der Materialforschung. Durch die sehr kurze Pulsdauer kann der Ablauf sehr schneller chemischer Reaktionen verfolgt werden und so zum besseren Verständnis der Katalyse beitragen, die in der chemischen Industrie eine zentrale Rolle spielen. Die höchsten Erwartungen ruhen jedoch auf der Möglichkeit, den genauen Aufbau komplexer Biomoleküle, zu entschlüsseln,

die für viele Lebensprozesse verantwortlich sind. Mit heutigen Verfahren ist das nur möglich, wenn man die Moleküle in der regelmässigen Struktur eines Kristalls anordnen kann, der mindestens einige Tausendstel Millimeter gross sein muss. Für viele interessante Moleküle kann man aber nur Nanokristalle erzeugen, die sehr viel kleiner sind. Am SwissFEL wird man auch diese winzigen Kristalle untersuchen können. «Dieses Experiment stellt die Wissenschaftler vor grosse Herausforderungen» erklärt Rafael Abela, einer der beiden Leiter des SwissFELProjekts. «Da die Strahlung zu einer Zerstörung der Moleküle führt, muss die Abbildung mit einzelnen Pulsen geschehen – quasi mit einer Belichtungszeit, welche schneller ist als der Strahlenschaden. Dazu ist es erforderlich, die an sich schon äusserst hellen Röntgenpulse in einen kleinstmöglichen Fleck zu fokussieren, um die notwendige Strahlungsdichte zu erreichen.»

Beugung statt Reflexion Genau hier setzt Christian David, Experte für Röntgenoptik am PSI, mit seinen Ideen an. Er beschäftigt sich bereits jetzt mit der Instrumentierung für den geplanten schweizerischen Röntgenlaser SwissFEL. Während man in den USA und Japan in erster Line auf Spiegelsysteme zur Bündelung der Lichtpulse setzt, entwickeln David und sein Team Röntgenlinsen, die nicht auf Reflektion sondern auf Diffraktion beruhen. Das heisst, sie nutzen die Welleneigenschaften des Lichts: Die Lichtwellen überlagern sich so, dass sie sich in einem klei10 / 2011


Bilder: Links PSI/M. Fischer; Mitte und rechts: REM-Aufnahmen, PSI

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Bild 2: Zonenplatte aus Diamant zur Nanofokussierung intensiver Strahlung aus einem Röntgenlaser (links). Der Durchmesser der gesamten Zonenplatte beträgt 0,5 Millimeter – gerade gross genug um den Laserstahl aufzusammeln (Mitte). Die äussersten Ringe sind nur 100 Nanometer dick (und werden zum Mittelpunkt hin dicker) (rechts).

nen Bereich verstärken und überall sonst auslöschen. Diese Linsen sind als so genannte Fresnel-Zonenplatten ausgeführt – sie bestehen aus konzentrischen Ringen, die abwechselnd verschiedene optische Eigenschaften haben. Ähnliche Linsen sieht man bisweilen an der Heckscheibe von Kleinbussen, wo sie wie ein «Fischauge» wirken und so einen guten Überblick über die Dinge hinter dem Auto ermöglichen.

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Für Röntgenstrahlung mit einer tausendmal kleineren Wellenlänge als sichtbares Licht müssen diese Ringstrukturen jedoch erheblich kleiner sein: Nur etwa 100 Nanometer, also 0,0001 Millimeter dick sind die einzelnen Ringe einer solchen Zonenplatte. Zu ihrer Herstellung bedient sich David der Nanolithografie, eines Verfahrens, das bei der Produktion von Computerchips Anwendung findet.

Der Einsatz von Zonenplatten zur Fokussierung von Röntgenstrahlung ist an sich nichts Neues. «Wir entwickeln bereits seit einiger Zeit solche Optiken für Röntgenmikroskope an Synchrotronlichtquellen wie zum Beispiel der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Allerdings wurden Zonenplatten für Experimente an Röntgenlasern nicht ernsthaft in Erwägung gezogen. Man ging davon aus, dass ihre fragilen Nanostrukturen durch das

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Bilder: PSI

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Bild 3: Der von einer diamantenen Zonenplatte fokussierte Röntgenlaserpuls erzeugt Krater in einer Metalloberfläche. Um die Fokusgrösse und die maximale Strahlungsdichte genau zu bestimmen führt man solche Experimente für verschiedene Intensitäten des Strahls durch. Bei voller Pulsstärke beträgt der Durchmesser einige Tausend Nanometer (links), während bei tausendfacher Abschwächung Krater mit 500 Nanometer (Mitte) und 200 Nanometer (rechts) entstehen. Die Grösse der Krater entspricht nicht unmittelbar dem Querschnitt des Strahls. (REM-Aufnahmen).

extrem intensive Röntgenlicht sehr rasch zerstört würden.» Dies bewahrheitete sich zunächst auch in Versuchen, die David mit seinen Kollegen am Laser in Stanford durchführte: Herkömmliche Zonenplatten aus Goldstrukturen waren bereits nach kürzester Zeit im heissen Strahl buchstäblich zerflossen.

Diamant als ideales Material Die ideale Alternative bietet Diamant. Es ist das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, sodass es die Wärme, die bei der Bestrahlung entsteht, gut ableitet. Es zersetzt sich auch nicht, wenn es erwärmt wird und ist für Röntgenlicht fast transparent. Jedoch wurde dieses Material noch nie für Zonenplatten verwendet, sodass ein Prozess zur ihrer Herstellung entwickelt werden musste. Durch Beschuss mit Sauerstoffionen konnten sehr schmale und vergleichsweise tiefe Ringstrukturen in den Diamant geätzt werden. Zusätzlich wurden die Strukturen an der Universität Helsinki mit hochschmelzendem Iridium gefüllt. Es zeigte sich, dass diese Materialkombination dem Röntgenlaser in Stanford auch auf Dauer widerstehen konnte.

Rekordverdächtig: viel Energie an einem Punkt Aufgabe der Linsen ist, viel Strahlungsenergie auf einen möglichst kleinen Punkt zu konzentrieren. Zu messen, einen wie kleinen Punkt man optimal erreichen sollte, stellte sich als ein eigenes Problem heraus. Eine Messung mit herkömmlichen Metho28

den konnte nicht durchgeführt werden – durch die hohe Spitzenleistung im Brennpunkt der Zonenplatten wären die üblicherweise genutzten Teststrukturen durchlöchert worden. Stattdessen nutzten die Forscher am amerikanischen Laser diesen zerstörerischen Effekt, indem sie die Grössen von Löchern in Metalloberflächen bestimmten, die von den fokussierten Röntgenpulsen erzeugt wurden. Daraus liess sich eine Fokusgrösse von 320 Nanometern ableiten – bei einem Querschnitt des ursprünglichen Strahls von 0,5 Millimeter. Das Röntgenlicht war an diesem Punkt 100 000-mal intensiver als im ursprünglichen Strahl. Das ist der beste Wert, der jemals mit Strahlung eines Röntgenlasers realisiert wurde.

konzentriert. «Ich bin mir sicher, dass bereits Ende dieses Jahres Werte von über 30 Prozent demonstriert werden können», so David.

In Zahlen Die Leistungsdichte des konzentrierten Strahl betrug im Fokus beträgt etwa 4×1017 W/cm2 – bei einer Effizienz der Zonenplatte von 10 Prozent. Für ein Molekül im Fokus der Zonenplatte entspricht dies einer Dosis von 10 000 Röntgenquanten pro Atom. Durch die verbesserte Effizienz und die Reduktion des Farbfehlers werden es bei der verbesserten Version 300 000 Röntgenlichtteilchen auf jedes Atom sein. Quelle: PSI

Verbesserungspotenzial vorhanden Die Leistungsfähigkeit der diamantenen Fresnel-Zonenplatten kann noch deutlich gesteigert werden. Zum einen war die Fokusgrösse durch «Farbfehler» begrenzt: Die vom Röntgenlaser erzeugten Pulse enthalten gewissermassen Licht verschiedener Farben, und die einzelnen Farben werden auf verschiedene Punkte fokussiert. Die Bandbreite der «Farben» wird beim SwissFEL deutlich kleiner sein als in Stanford, sodass dort eine zehnfach höhere Konzentration der Strahlungsdichte möglich sein dürfte. Auch die Effizienz der Zonenplatten lässt sich noch steigern: In den beschriebenen Experimenten wurde nur 10 Prozent der ankommenden Energie im Brennpunkt

Originalpublikation C. David et al., «Nanofocusing of hard X-ray free electron laser pulses using diamond based Fresnel zone plates», Scientific Reports 1, Article number 57 (2011). Kontakt Dr. Christian David Paul Scherrer Institut Labor für Mikro- und Nanotechnologie CH-5232 Villigen PSI Telefon +41 (0)56 310 3753 christian.david@psi.ch www.psi.ch 10 / 2011


FIRMEN BERICHTEN

Mikrobiologische Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie

Eine einfache Alternative zu Agarnährböden Lebensmittel sind nicht nur wortwörtlich in aller Munde. Sie stehen zum einen, nicht zuletzt aufgrund der vielen Lebensmittelskandale, dauerhaft unter kritischer Beobachtung von Verbrauchern, Behörden und Presse. Zum anderen unterliegen die Hersteller von Lebensmitteln ständig steigenden Anforderungen hinsichtlich der Deklaration von Produktzusammensetzung und Nährwerten, der Überwachung der Produktionsprozesse und der Überprüfung der Produkte hinsichtlich chemischer und mikrobiologischer Parameter.

gen Nährmedien, die Inkubationszeit in Abhängigkeit von den Zielorganismen und schliesslich die Auswertung und Protokollierung der Ergebnisse.

Bild 1: Mischkultur von E. coli und anderen coliformen Bakterien. Die blauen Kolonien von E. coli lassen sich trotz hoher Belegungsdichte klar zwischen den roten Kolonien der Coliformen erkennen.

Michael Sawatzki 1) Die mikrobiologische Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie ist unerlässlich, zum einen zum Schutz der Verbraucher vor gesundheitsschädlichen Mikroorganismen, zum anderen zur Vermeidung von Beeinträchtigungen der Produktqualität durch Verderbniserreger, die zum Beispiel Geschmack, Geruch oder andere Produkteigenschaften negativ verändern können. Diese Kontrollen sind mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle: die Probennahme und Probenvorbereitung, die Herstellung der für die Untersuchung nöti-

1)

Michael Sawatzki (michael.sawatzki@dr-moeller-und-schmelz.de) ist Leiter Vertrieb und Marketing der Dr. Möller & Schmelz GmbH, Robert-BoschBreite 15, D-37079 Göttingen

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Die Herstellung eines herkömmlichen Agarnährmediums erfordert mehrere Arbeitsschritte: Abwiegen, Kochen, Sterilisation und Qualitätsprüfung des fertigen Mediums. Mit dem Ziel, den eigenen Aufwand zu reduzieren, wechseln Labors immer häufiger zu Fertignährmedien, die in Form von gebrauchsfertigem Agar in Flaschen oder Röhrchen oder auch vorgegossenen Fertigplatten angeboten werden.

Gebrauchsfertige sterile Trockennährböden Während diese Fertigmedien bereits in viele Mikrobiologielabors Einzug gehalten haben, sind Nährkartonscheiben (NKS), eine weitere attraktive Alternative, oftmals noch nicht bekannt. Nährkartonscheiben sind gebrauchsfertige sterile Trockennährböden, die nach Zugabe von sterilem Wasser sofort einsatzbereit sind. Sie bestehen aus einem hochreinen, biologisch inerten Zellulosefaserkarton, der mit der jeweiligen Nährlösung getränkt und anschliessend getrocknet wird. Jede Nährkartonscheibe ist bereits steril und einzeln in eine Petrischale verpackt. Vor der Verwendung ist lediglich die Zugabe von 3,5 ml sterilem Wasser erforderlich. Dadurch werden die Nährstoffe aus dem Zellulosekarton gelöst und stehen den Mikroorganismen für das Wachstum zur Verfügung. Der Zellulosekarton dient nun als Träger für den Membranfilter mit der zu untersuchenden Probe.

Vorteile gegenüber Agarplatten Neben der einfachen Handhabung der NKS, die ein hohes Mass an Sicherheit vor Kontaminationen gewährleistet, ergeben sich gegenüber gebrauchsfertigem Agar und vorgegossenen Agarplatten noch weitere Vorteile: ■ Die Haltbarkeit der Nährkartonscheiben ist, da es sich um ein Trockennährmedium handelt, deutlich länger. Zudem wird für die Lagerung kein Kühlschrank benötigt. Ein dunkler und trockener Platz im Labor reicht aus. ■ Da für die Bereitstellung von Agarplatten aus gebrauchsfertigem oder selbst hergestelltem Agar aufgrund des Arbeitsaufwands eine gewisse Vorlaufzeit berücksichtigt werden muss, bedarf es einer entsprechenden Planung, um für bevorstehende Analysen ausreichend Agarplatten zur Verfügung zu haben. Diese Vorausplanung kann mit Nährkartonscheiben vernachlässigt werden, da Nährkartonscheiben nach der Benetzung mit sterilem Wasser sofort einsatzbereit sind.

Grosse Einsatzbreite Hinsichtlich der Einsatzbreite sind Nährkartonscheiben fast keine Grenzen gesetzt. Neben der Bestimmung der Gesamtkeimzahl oder der Detektion von Hefen und Schimmelpilzen lassen sich mit Nährkartonscheiben Mikroorganismen auch spezifisch nachweisen. Nahezu alle Rezepturen, die als Agar hergestellt werden können, lassen sich auch auf NKS übertragen. Dazu zählen natürlich auch die in Normen oder anderen Regel29


Bilder: Dr. Möller & Schmelz GmbH

FIRMEN BERICHTEN

Bild 2: Mischkultur von E. coli und Enterobacter aerogenes. Das linke Bild zeigt das Koloniebild nach einer Inkubationszeit von 18 Stunden bei 37 °C. Bei Beleuchtung mit UV-Licht (366 nm) sind auf dem mittleren Bild fluoreszierenden Kolonien zu erkennen. Dieselbe Probe ist auf dem rechten Bild nach dem Indoltest zu sehen mit einigen rot gefärbten Kolonien. Kolonien, die in beiden Tests positiv reagieren sind als E. coli zu bewerten.

werken beschriebenen Medien. Die Zusammensetzung entspricht den dort genannten Agarrezepturen, mit der Ausnahme, dass Agar keine Verwendung als Verfestigungsmittel findet, sondern die Kartonscheiben als Nährstoffträger fungieren. So lassen sich auch Medien, die chromogene oder fluorogene Substanzen enthalten, als Nährkartonscheiben herstellen. Diese Substanzen, die von bestimmten Mikroorganismen selektiv verwertet werden können, bestehen in der Regel aus einem von den Mikroorganismen metabolisierbaren Substrat und einem Chromo- oder Fluorophor. Durch enzymatische Spaltung werden letztere freigesetzt und dienen dann als Indikatoren zur spezifischen Differenzierung von Kolonien und erleichtern so die Detektion bestimmter Mikroorganis-

Bild 3: Mischkultur aus Rotwein. Die orangegelben Kolonien mit gelbem Hof der Brettanomyces-Hefen sind deutlich von den anderen Hefekolonien zu unterscheiden.

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men, bzw. Gruppen von Mikroorganismen. Beispiele hierfür sind die Colichrom- und die ECD MUG-Nährkartonscheiben.

Drei Beispiele ■ Die Colichrom-NKS werden für die Untersuchung von Wasser, Abwasser und anderen Proben auf das Vorhandensein von Escherichia coli und anderen coliformen Keimen eingesetzt. Durch die chromogenen Substanzen können nach Inkubation sehr einfach E. coli-Kolonien (blau gefärbt) von Kolonien anderer coliformer Keime, zum Beispiel Enterobacter sp., (rot gefärbt) und nicht-coliformer Bakterien (beige gefärbt) unterschieden werden (Bild 1). ■ Die ECD-MUG Nährkartonscheiben, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung dem schweizerischen Lebensmittelbuch entsprechen, werden ebenfalls zum Nachweis von E. coli und coliformen Keimen verwendet. Hier spielt das Fluorogen 4-Methylumbelliferyl-ß-D-Glucuronid (MUG) eine entscheidende Rolle. E. coli ist in der Lage, dieses Molekül enzymatisch zu spalten, wobei eines der Spaltprodukte 4-Methylumbelliferon unter UV-Licht fluoresziert. Das Auftreten der Fluoreszenz dient zusammen mit einer weiteren Reaktion, dem Indoltest, als Direktnachweis von E. coli-Keimen (Bild 2). ■ Die Hefegattung Brettanomyces (Dekkera), die ursprünglich aus der Wein- und Bierherstellung bekannt war, tritt in den

letzten Jahren immer häufiger auch in Fruchtsäften und in fruchtsafthaltigen Getränken in Erscheinung, wo sie zu Verderbnis und Fehlaromen führen kann. Seit Kurzem existiert zur Detektion der Brettanomyces-Hefen eine spezielle Nährkartonscheibe. Deren Zusammensetzung ist spezifisch auf die Wachstumsbedürfnisse dieser Hefegattung abgestimmt und ermöglicht mittels einer Farbreaktion eine einfache Differenzierung von Brettanomyces-Kolonien auch aus einer Mischkultur (Bild 3).

Ein Fazit Die Sortenvielfalt von Nährkartonscheiben ist gross und die leichte Handhabung, die sich ohne Aufwand in die Laborroutine integrieren lässt, ermöglicht im mikrobiologischen Labor bei Routineanalysen filtrierbarer Proben eine deutliche Zeitersparnis. Die dadurch gewonnene Zeit kann für andere, wichtigere Tätigkeiten genutzt werden. Die Anwendungsprozedur trägt dazu bei, das Risiko für Kontaminationen beim Ansatz der Probe zu vermeiden. Lange Haltbarkeit und einfache Lagerung sind weitere Pluspunkte für Nährkartonscheiben.

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FIRMEN BERICHTEN

Sensoren von Hamilton Bonaduz AG

Messung von O2 und niedrige Leitfähigkeit Mit neuen Sensoren für die Messung von Sauerstoff (Oxyferm FDA ARC, Oxygold G ARC und Oxygold B ARC) und niedrigster Leitfähigkeit (Conducell PWSE ARC ) erweitert Hamilton Bonaduz AG die Reihe der Sensoren des im vergangenen Jahr auf den Markt gebrachten ARC-Systems für die Prozessanalyse.

Bild 1: Oxyferm FDA ARC-Sensor für die elekt rochemische Sauerstoffmessung in Fermentationsprozessen und in der Arzneimittelherstellung.

Vier elektrochemische Sensoren erweitern die bisherigen Möglichkeiten und Einsatzgebiete des Hamilton ARC-Systems. Das ARC-System ist eine neuartige Technologie zur Prozessanalyse, die Hamilton 2010 auf den Markt brachte. Das System arbeitet mit intelligenten Sensoren, in die die Funktionen eines Transmitters bereits integriert sind. Jetzt erweitert Hamilton das Angebot an Sensoren um weitere elektrochemische ARC-Sensoren für den Einsatz in der Biotechnologie und in der Arzneimittelherstellung, in der Spurenmessung und in der Messung bei hohem CO2-Partialdruck sowie Sensoren für die Leitfähigkeitsmessung in Reinstwasser.

Bilder: Hamilton Bonaduz AG

Anwendungsgebiet des Oxyferm FDA ARCSensors (Bild 1) ist die elektrochemische Sauerstoffmessung in Fermentationsprozessen und in der Arzneimittelherstellung. Der Sensor Oxygold G ARC wird für die Messung von geringen Sauerstoffspuren in

wässerigen Lösungen verwendet. Der Oxygold B ARC-Sensor misst geringe Sauerstoffspuren in Anwesenheit von CO2, insbesondere in der Getränkeindustrie. Für die Überwachung der Reinstwasserqualität in industriellen Prozessen hat Hamilton schliesslich den neuen Sensor Conducell PWSE ARC mit Triclamp-Prozessanschluss entwickelt (Bild 2). Der Messbereich reicht von 0,01 bis 2000 µS/cm. Damit ist der Sensor vor allem für die Überwachung der Wassererzeugung in der Arzneimittelherstellung und in Kraftwerken geeignet. Alle Hamilton ARC-Sensoren bieten voll kompensierte intelligente Messsignale über zwei analoge 4–20-mA-Ausgänge, eine digitale Modbus-Schnittstelle und kabellose Datenübertragung über den optionalen ARC Wi Sensor-Adapter. Die neuen Sensoren sind voll kompatibel mit der bestehenden ARC-Produktfamilie: Visiferm DO ARC, ARC pH-Sensoren, Conducell ARC, ARC View und ARC Wi.

Bild 2: Der Sensor Conducell PWSE ARC wurde für die Überwachung der Reinstwasserqualität entwickelt.

10 / 2011

Der Einsatz der neuen Technologie der ARC-Sensoren bietet den Nutzern zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen in der Prozessanalyse, die mit Transmittern arbeiten. Dadurch, dass die ARC-Sensoren bereits die Transmitter enthalten, werden Anschaffungskosten eingespart. Der Installationsaufwand verringert sich und führt ebenfalls zu Kosteneinsparungen. Während des laufenden Betriebs wirkt sich die wesentlich einfachere Bedienbarkeit während der Prozessanalyse in höherer Effizienz des eingesetzten Personals aus. Zudem benötigt das ARC-System weniger Platz. Durch die direkte Verbindung zum Prozessleitsystem verfügt das System zudem über ein stabiles und sicheres Signal. Die gängigen Beeinträchtigungen durch Feuchtigkeit, die Kabellänge oder sonstige Signalstörungen entfallen. Darüber hinaus sind bei den ARC-Sensoren bereits intelligente Funktionen wie die Diagnostik, die Vorgangshistorie oder die Kalibrierungsdate direkt im Sensor integriert. Gleb Zhylyak, Senior Product Manager Intelligent Sensors bei Hamilton in Bonaduz, kommentiert die Weiterentwicklung so: «Mit dem ARC-System sind wir in der Lage, den Kunden mehr Effizienz und vor allem mehr Datensicherheit in der Prozessanalyse zu bieten. Mit den neuen Sensoren erschliessen wir weitere Einsatzgebiete und ermöglichen so noch mehr produzierenden Unternehmen von den Vorteilen der Technologie zu profitieren.» Kontakt Hamilton Bonaduz AG Via Crusch 8 CH-7402 Bonaduz Telefon +41 (0)81 660 60 60 contact@hamilton.ch www.hamiltoncompany.com 31


VERFAHRENSTECHNIK

Wirbelschichtverfahren

Doppelt brennt besser Verbrennen heisst nicht bloss Feuer machen: An der TU Wien werden Verbrennungsprozesse auf zwei getrennte Kammern aufgeteilt – mit entscheidenden Vorteilen für Klima und Umwelt. Am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften wurden spezielle Wirbelschichtverfahren entwickelt.

Bild: TU Wien

Einen stabilen Stoffkreislauf zwischen zwei verbundenen Behältern zu gewährleisten, ist eine technologische Herausforderung – aber die Methode eröffnet viele neue Möglichkeiten: Auf diese Weise lässt sich etwa Biomasse zu hochwertigen gasförmigen oder flüssigen Treibstoffen umwandeln. Die Wärme, die nicht direkt für den Prozess genutzt wird, kann zur Stromerzeugung und als Fernwärme verwendet werden.

CO2 aus der Luft holen Bild 1: Versuche an den Anlagen des Instituts für Verfahrenstechnik der TU Wien.

Man kennt das von der Lottoziehung: Ein Luftstrom bläst in den Behälter mit den Kugeln und lässt sie wild umherströmen, fast wie eine Flüssigkeit. So ähnlich kann man sich das Wirbelschichtverfahren vorstellen. Feste Stoffe werden durch Einströmen von Gas oder Flüssigkeit in einen Zustand versetzt, in dem sie sich beinahe wie Flüssigkeiten verhalten. Bahnbrechende Erfolge konnten am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien mit speziellen Wirbelschichtverfahren erzielt werden.

Gaserzeugung und Verbrennung getrennt Feste Brennstoffe können unter grosser Hitze in brennbare Gase umgewandelt werden. Bei gewöhnlichen Anlagen ist das gewünschte Produktgas aber mit störenden Abgasen vermischt. Dieses Problem lässt sich lösen, wenn man Gaserzeugung und Verbrennung in zwei gekoppelte Behälter aufteilt: Im ersten Behälter wird der feste Ausgangsstoff mithilfe von Wasserdampf in Gas umgewandelt. Der Dampf gibt dabei Sauerstoff ab und Wasserstoff entsteht. Das aus dem Ausgangsstoff erzeugte Gas wird 32

abgeleitet und nach Reinigungsschritten gesammelt oder direkt zur Strom- und Wärmeerzeugung verwertet. Alles was im Gaserzeuger übrig bleibt, landet im zweiten Behälter. Dort findet eine Verbrennung mit Luft statt, die wiederum die nötige Temperatur für den ersten Behälter liefert. Durch diese Aufteilung des Gesamtprozesses können somit Abgase der Verbrennung von dem gewünschten «Produktgas» des Gaserzeugers sauber getrennt werden.

Zwei Jahrzehnte TU-Forschung «Diese Technologie, die den Prozess auf zwei Kammern aufteilt, wurde in langer Forschungsarbeit an der TU Wien entwickelt», erklärt Michael Fuchs vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften. Seit vielen Jahren beschäftigen sich Institutsvorstand Hermann Hofbauer und seine Forschungsgruppen mit solchen Wirbelschichtverfahren. Ihre Ideen setzen sich durch: Auf der ganzen Welt blickt man heute mit Interesse auf die Versuchsanlagen in Österreich – etwa auf das Biomassekraftwerk Güssing, in dem das Know-how der TU Wien steckt.

Auch für die Zukunft unseres Klimas könnten Wirbelschichtverfahren eine grosse Bedeutung haben. Sie können verwendet werden, um CO2 sauber und konzentriert abzuscheiden. «Es gelangt nicht gemeinsam mit anderen Gasen in die Luft, sondern kann in reiner Form gesammelt und dann dauerhaft gelagert werden», erklärt Tobias Pröll von der TU Wien. Er betreibt mit seinem Team die bislang grösste Versuchsanlage für «Chemical Looping»-Verbrennung. Dabei fällt das sonst im Abgas stark verdünnte CO2 ohne Energieaufwand in konzentrierter Form an und kann dann leicht abgeschieden werden. Wird für diesen Prozess Biomasse verwendet, die während der Lebenszeit der Pflanze CO2 aus der Luft bindet, kann dieses Verfahren CO2 aus der Atmosphäre holen und so zur Reparatur unseres Klimas beitragen. Quelle: TU Wien Kontakt Dr. Michael Fuchs Technische Universität Wien Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften Getreidemarkt 9, A-1060 Wien Telefon +43 (0)1 58801 166 309 michael.fuchs@tuwien.ac.at 10 / 2011


A N A LY T I K

Ionicon Analytik/Ionimed Analytik

Protonen-Tausch-Reaktion-Massenspektrometrie Zu den Stationen einer von ABA-Invest in Austria organisierten Pressereise mit dem Schwerpunkt «Life Science in Tirol» gehörten auch Ionicon Analytik und ihre Tochtergesellschaft Ionimed Analytik in Innsbruck. Die beiden Unternehmen haben sich auf den Nachweis von kleinsten Spuren in Gasen spezialisiert. Realisiert wird dies mittels der Protonen-Tausch-Reaktion-Massenspektrometrie.

Die PTR-MS (Protonen-Tausch-ReaktionMassenspektrometrie) ermöglicht EchtzeitMessungen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC). Das erste PTR-MS wurde 1995 am Institut für Ionenphysik an der Universität Innsbruck gebaut. Ionicon Analytik wurde 1998 gegründet. Das Unternehmen entwickelt und vermarktet seither kommerzielle PTR-MS-Systeme. Rund 200 Einheiten wurden in Innsbruck produziert und zu 90 Prozent exportiert. Hauptabnehmerländer sind die USA, Deutschland, Japan, die Schweiz und Grossbritannien. Bei der PTS-MS wird aus Wasserdampf – gewonnen aus destilliertem Wasser – in einer Hohlkathoden-Ionenquelle das Primärion H3O + in hoher Reinheit erzeugt. Dieses wird in eine Driftröhre eingeführt, wo es ein Proton auf das zu untersuchende Molekül überträgt. Das Produkt wird anschliessend im Massenspektrometer analysiert (Bild 1). Die fundamentale Reaktion +

+

H3O + R ➝ RH +H2O tritt nur auf, wenn die Protonenaffinität von R grösser ist als diejenige von Wasser. Das bedeutet, dass das Hydroniumion nicht mit den Luftbestandteilen Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid usw., wohl aber mit VOC wie Benzol, Aceton, Methanol, Ethanol oder Kohlenwasserstoffe reagiert. Die Protonenübertragung ist extrem effizient. Aktuell werden Detektionslimits von Spurengasen im ppqv- (parts per quadrillion-) Bereich und Reaktionszeiten unter 100 ms erreicht. Die exakt definierten Reaktionsbedingungen erlauben die direkte Quantifizierung der untersuchten Substanzen in Echtzeit – ohne die Verwendung von Eichgasen. 34

Bilder: Ionicon Analytik

Kurt Hermann

Bild 1: Schematische Darstellungen von PTR-MS-Geräten, links mit einem Quadrupol-MS- und rechts mit einem TOF-MS-System.

Für die Analyse der protonierten Moleküle bestehen zwei Optionen: ■ Mit einem kleinen, leichten QuadrupolMassenspetrometer kann der Konzentrationsverlauf einzelner Komponenten besonders gut verfolgt werden. ■ Ein Flugzeit-Massenspektrometer (TOFMS) hat eine hohe Auflösung und liefert innerhalb von Sekundenbruchteilen Informationen über alle vorliegenden Komponenten und ermöglicht eine einfache Identifkation von Substanzen. In PTR+SRI-MS-Geräten können die Ionisationen auch mittels O2+ und NO + durchgeführt werden. O2+ reagiert mit Molekülen gemäss folgender Gleichung: O2+ + R ➝ R+ + O2 Das heisst, dass die Moleküle mittels Ladungsübertragung ionisiert werden. Voraussetzung dafür ist, dass, ihre Ionisationsenergie unter 12,07 eV liegt, was für einige gilt, die mit H3O+ nicht ionisiert werden können. Ionisierung mit NO+ erlaubt teilweise, isomere Verbindungen zu trennen und zu identifizieren. Aldehyde reagieren mit NO+ in der Regel unter Hydridtransfer: AH + NO+ ➝ A+ +HNO

Bei Ketonen tritt (neben anderen Reaktionen) ein einfacher Ladungstransfer auf: AH + NO+ ➝ AH+ + NO Da A+ und AH+ sich um eine atomare Masseneinheit unterscheiden, können Aldehyde und Ketone mit gleichen Summenformeln unterschieden werden.

Anwendungen der PTR-MS PTR-MS-Instrumente werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt: Umweltanalytik (Hauptanwendung), Lebensmittelforschung, Prozess-und Reinraumüberwachung sowie Biotechnologie sind interessante Anwendungsbereiche. Daneben gibt es auch Projekte vielver sprechende Natur, bei denen PTR-MS-Instrumente wichtige Fortschritte verheissen. Detektion von Kampfgasen und Sprengstoffen Im Rahmen eines Projekts der European Defence Agency (EDA) mit dem Namen «Guarded» adaptiert Ionicon Analytik die PTR-MS-Technik für die Detektion von Kampfgasen und Sprengstoffen. Eine einfach zu bedienende Detektionssoftware 10 / 2011


schlägt Alarm, wenn voreingestellte Konzentrationen von Drogen, Spreng- und Kampfstoffen überschritten werden. Fehlalarme durch harmlose Alltagsstoffe (Parfums, Reinigungsmittel etc.) werden durch einen ausgefeilten Algorithmus vermieden. Als letzter Schritt für den professionellen Einsatz von IoniconPTR-MS-Geräten in der Detektion gefährlicher Substanzen (insbesondere auf Flughäfen) bleibt die Entwicklung bzw. die Auswahl von geeigneten Sampling-Techniken. Denkbar wären hierfür zum Beispiel die bereits für die aktuell eingesetzte IMS (Ion Mobility Spectroscopy) angekoppelten Personenportale bzw. «Wischtests», wobei die Mitarbeiter von Ionicon Analytik bei der Verwendung von PTR-MS von einer wesentlich höheren Selektivität, das heisst, einer weitgehenden Vermeidung der bislang häufig auftretenden Fehlalarme bei gleichzeitig gesteigerter Empfindlichkeit ausgehen. Brustkrebsdiagnose Schon die alten Griechen wussten, dass man Krankheiten am Atem der Patienten erkennen kann. Heute versuchen Wissenschaftler, daran anzuknüpfen und das intuitive Wissen der Antike auf eine naturwissenschaftlich fundierte Basis zu stellen. Im menschlichen Atem befinden sich hunderte kleiner, flüchtiger Moleküle. Ionimed Analytik, eine 2004 gegründete Tochtergesellschaft von Ionicon Analytik, entwickelt eine Atemluftanalysemethode, basierend auf der PTR-MS-Messtechnik. Im Rahmen von Oncotyrol, einem internationalen Verbund kompetenter Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft, sollen mithilfe dieser Technologie viele Spurenstoffen in der Ausatemluft von Brustkrebspatientinnen bestimmt werden. Dabei werden Moleküle analysiert, die im Stoffwechsel entstehen und die aus dem Blut der Lungen durch die dünnen Gefässwände hindurchtreten und somit in die Ausatemluft gelangen. Es soll untersucht werden, ob es in der Atemluft Inhaltsstoffe gibt, die für Brustkrebs typisch sind, beziehungsweise ob Atemluftinhaltsstoffe existieren, die sich während der begleitenden Therapie in einer typischen Weise verändern. Gelingen die Forschungsvorhaben, so könnten viele Menschen von den Vorteilen der Atemluftanalyse profitieren. Die Abgabe einer Atemluftprobe ist weitgehend unbelastend und nicht invasiv und kann auch von Schwerstkranken oder Kindern einfach durchgeführt werden. Die Atemluftanalyse könnte als einfache, kostengünstige Methode zum Screening oder ergänzend zu anderen bereits etablierten diagnostischen Verfahren wie Mammographie und Ultraschall eingesetzt werden. Relevanten Forschungsergebnisse gibt es allerdings noch keine. Derzeit werden die analytischen Verfahren, die zum Einsatz kommen werden, vorbereitet, getestet und weiter entwickelt. Quellen: Im vorliegenden Artikel werden Informationen aus dem Firmenbesuch in Innsbruck, Presseunterlagen sowie weitere Veröffentlichungen von Ionicon Analytik und Ionimed Analytik verwertet. 10 / 2011

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A N A LY T I K

Fachtagung in Wädenswil

Bioprozessanalytik und Sensortechnik Rund 160 Personen aus über zehn Ländern trafen sich am 1. und 2. September 2011 zur Biotech 2011, einer Fachtagung über Bioprozessanalytik und Sensortechnik an der ZHAW in Wädenswil. Im Mittelpunkt der Tagung standen die neuesten Entwicklungen im Bereich der Sensoren und ihre Anwendungen in der Biotechnologie, insbesondere auch in Einweg-Bioreaktoren.

Bild: Kurt Hermann

Anwendungen in Bioprozessen

Bild 1: Die Referate wurden durch Präsentationen von Bioscience-Firmen ergänzt.

Sensoren leisten heute einen äusserst wichtigen Beitrag zur Onlineüberwachung und Steuerung von industriellen Prozessen. Sie werden in der Biotechnologie, aber auch in der Lebensmittelindustrie oder der Chemie eingesetzt. Sensoren stellen eine effiziente Produktion sicher und garantieren eine hohe Produktequalität. In den letzten Jahren haben neue biotechnologischen Produktionsverfahren, wie beispielsweise die Verwendung von Einweg-Bioreaktoren, an Bedeutung gewonnen. Damit ändern sich die Anforderungen an die Mess- und Sensortechnik; gleichzeitig eröffnen sich aber auch neue Möglichkeiten. Der Austausch zwischen Forschenden und Anwendern von Sensoren ist deshalb von zentraler Bedeutung – die Biotech 2011 förderte diesen Dialog. 36

Entwicklungen in der Sensortechnik Referentinnen und Referenten aus der universitären Forschung zeigten auf, dass die Eigenschaften von Sensoren dank neuen Materialien und Messprinzipien in den letzten Jahren verbessert worden sind. Einige dieser Messprinzipien, zum Beispiel optische Sensoren, beginnen sich in der Prozessanalytik durchzusetzen. Nicht alle werden jedoch von den Anwendern als alltagstauglich beurteilt. Für die Sensor-Hersteller stehen nicht allein technische Aspekte im Vordergrund. Neu entwickelte sogenannte intelligente Sensoren helfen mit, die Handhabung der Produkte zu vereinfachen und den Wartungsaufwand zu minimieren.

Einweg-Bioreaktoren werden in den letzten Jahren nicht nur in der Forschung, sondern zunehmend auch in der industriellen Produktion eingesetzt. Sensoren, die in konventionellen Bioreaktoren routinemässig im Einsatz sind, können nicht ohne Weiteres in die neuen Einweg-Systeme übertragen werden. Mehrere Experten wiesen darauf hin, dass die Erwartungen der Anwender an die Mess- und Sensortechnik in Einweg-Reaktoren noch nicht überall erfüllt sind. Wie zahlreiche Referate aufzeigten, sind hier einerseits technische Lösungen gefragt, andererseits müssen Anwender und Industrievertreter im Bereich der Standardisierung enger zusammenarbeiten. Dazu hat die Biotech 2011 einen wichtigen Beitrag geleistet. Die Biotech 2011 wurde vom Institut für Biotechnologie der ZHAW in Wädenswil organisiert. Weitere Informationen zur Tagung sind unter www.biotech2011.ch zu finden. Quelle: ZHAW, Wädenswil

Kontakt Caspar Demuth ZHAW Life Sciences und Facility Management Life Sciences und Facility Management Grüental CH-8820 Wädenswil Institut für Biotechnologie (IBT) Telefon 058 934 57 63 caspar.demuth@zhaw.ch 10 / 2011


Bild: Sandoz

Biopharmazeutische Produktion bei Sandoz.

Similar Biological Medicinal Products

Biosimilars – Folgepräparate von Biopharmazeutika Ein wichtiger Bestandteile einer Pressereise mit dem Schwerpunkt «Life Science im Tirol» war der Besuch der Novartis-Tochter Sandoz GmbH in Kundl. Jörg Windisch, Head Global Technical Development Sandoz Biopharmaceuticals, gab unter anderem einen Überblick über das komplexe Thema der Biopharmazeutika und Biosimilars im Allgemeinen sowie über Biosimilars bei Sandoz im Besonderen.

Kurt Hermann Biopharmazeutika (auch Biopharmaka, Biologicals, Biologika oder Biologics) gehören zu den wichtigsten Wachstumsmotoren der Pharma- und Biotechnologieindustrie. Sie werden mit gentechnisch veränderten lebenden Organismen oder Zelllinien hergestellt und unterscheiden sich in mannigfaltiger Hinsicht von niedermolekularen Arzneimitteln wie Aspirin (Tabelle 1). Heute sind Biopharmazeutika wie zum Beispiel rekombinantes (gentechnologisch hergestelltes) Insulin, Interferon oder Erythropoetin aus der Praxis nicht mehr wegzudenken. In vielen Therapiefeldern gibt es 10 / 2011

zudem keine Alternativen zu Biopharmazeutika. Mit Biopharmazeutika wurde 2009 ein Umsatz von 93 Milliarden USD (11 Prozent des gesamten Pharmamarkts) erzielt, rund die Hälfte davon in den USA. Im Gegensatz zu klassischen chemischen Wirkstoffen – oft nur mit Molekularmassen bis 1000 Dalton – sind biotechnologisch hergestellte Wirkstoffe komplexe, hochmolekulare Proteine mit Molekularmassen zwischen 5000 und 145 000 Dalton, in einigen Fällen sogar bis zu 500 000 Dalton. Insulin, das wie auch Wachstumshormon ursprünglich aus tierischen Quellen extrahiert wurde, war 1982 das erste Biopharmazeutikum auf dem Markt. Für das Jahr

2016 wird vorausgesagt, dass acht der umsatzstärksten zehn Arzneimittel Biopharmazeutika sein werden (Tabelle 2). Die Herstellung von Biopharmazeutika beginnt mit dem Einbau des Gens in der Wirkzelle, bei der es sich je nach Komplexität um Bakterien, Säugetierzellen oder Hefen handelt. Die Kultivierung (Fermentation) erfolgt – teils während Wochen – in grossen Stahltanks unter kontrollierten Bedingungen mit dem Ziel, eine möglichst grosse Zelldichte zu erhalten. Im entstehenden Brei sind nicht nur die produzierten Proteine enthalten, sondern auch die Zellen sowie verschiedene Medien und Stoffwechselprodukte. 37


PHARMA

Wirkstoffklasse

Beispiel

Molekularmasse

Aspirin (Acetylsalicylsäure)

180 Dalton

Einfaches Biopharmakum

Calcitonin

3455 Dalton (~ 32 Aminosäuren)

Komplexes Biopharmakum

Monoklonaler Antikörper Immunoglobulin G, IgG)

150 000 Dalton (~ 1300 Aminosäuren)

Niedermolekularer Wirkstoff

Herstellverfahren Chemisch Hergestellt in Hefen, Bakterien ohne Veränderungen der Wirtszellen Hergestellt in Säugetierzellen Mit Veränderungen der Wirtszellen (Glykosylierungen etc.)

Tabelle 1: Biopharmazeutika sind wesentlich komplexer als niedermolekulare Wirkstoffe.

Das Produkt wird herausextrahiert und zu höchster Reinheit aufgereinigt. Am Schluss liegt der Wirkstoff in einer sterilen Lösung vor, die in Kunststoffflaschen abgefüllt und anschliessend bei tiefsten Temperaturen eingefroren wird (Eiweisse sind leicht verderblich). Schliesslich wird ein stabiles Endprodukt formuliert, das in Durchstechflaschen, Spritzen oder Patronen verkauft wird. Die Qualität und teilweise auch die Wirkung der Biopharmazeutika hängen von vielen Faktoren ab, beispielsweise von den Wachstumsbedingungen der Wirtszellen, von den Lösungszusätzen, von der Temperatur, vom pH-Wert und vom Reinigungsverfahren. Im März 2010 schätzte die «NY Times» die Behandlungskosten bei niedermolekularen Wirkstoffen auf 1 USD pro Tag, bei Biopharmazeutika auf 22 USD pro Tag. Die Behandlung einer Brustkrebspatientin mit Herceptin kostet 37 000 USD/Jahr. Für die sechs bedeutendsten Biopharmazeutika wurden in den USA 43 Prozent des öffentlichen Arzneimittelbudgets für Medicare Part B aufgewendet. Im Jahr 2009 wurden weltweit Biopharmazeutika für 93 Milliarden USD

verkauft, 17 Milliarden USD stammten aus Arzneimitteln, deren Patent abgelaufen war. Für das Jahr 2015 wird prognostiziert, dass rund 40 Prozent oder 64 Milliarden USD der weltweiten Umsatzerlöse (166 Milliarden USD) von Biopharmazeutika stammen werden, deren Patentschutz abgelaufen sein wird. Diese Prognosen erfreuen selbstverständlich die noch wenigen Hersteller von Biosimilars, den Nachfolgeprodukten von biologischen Arzneimitteln, sowie die Patienten und die Krankenkassen.

Biosimilars sind keine Generika Biosimilars sind Nachahmerarzneimittel von Biopharmazeutika, deren Patentschutz abgelaufen ist. Ihr Wirkstoff ist nie völlig identisch mit dem Originalwirkstoff. Deshalb sind aufwendigere Zulassungsverfahren und Überwachungsmassnahmen als bei klassischen Generika erforderlich. Verglichen mit der Herstellung einfacher Generika ist ihre Entwicklung und Produk-

Produkt

Typ

Ertrag (USD)

Humira

Biologisch

10,1 Mrd.

Avastin

Biologisch

8,9 Mrd.

Enbrel

Biologisch

7,3 Mrd.

Rituxan

Biologisch

6,8 Mrd.

Crestor

Niedermolekular

6,3 Mrd.

Herceptin

Biologisch

6,2 Mrd.

Remicade

Biologisch

5,7 Mrd.

Lantus

Biologisch

5,3 Mrd.

Seretide/Advair

Biologisch

5,2 Mrd.

Niedermolekular

5,2 Mrd.

Prolia

Tabelle 2: Im Jahr 2016 werden voraussichtlich 8 der 10 meistverkauften Arzneimittel Biopharmazeutika sein. Quelle: Sandoz, Evaluate Pharma, World Preview 2016

38

Quelle: Sandoz

tion, viel aufwendiger, dauert länger und kostet viel mehr, wie aus den Daten in Tabelle 3 ersichtlich ist. Damit Generika zugelassen werden, ist der Nachweis der Bioäquivalenz erforderlich. Das Zulassungsverfahren für Biopharmazeutika ist wesentlich strenger. Da Biosimilars wie erwähnt nicht identisch mit dem Original sein können, muss ihre Vergleichbarkeit belegt werden. Ihre physikalischchemischen Eigenschaften, ihre biologische Aktivität sowie ihre Reinheit müssen dem Originalprodukt entsprechen. In umfangreichen klinischen Phase-I- und Phase-III-Studien muss eine vergleichbare klinische Sicherheit und Wirksamkeit nachgewiesen werden; Phase-II-Studien sind nicht erforderlich. Gegenüber Pharmazeutika sind Biosimilars insofern bevorzugt als nicht jede Indikation geprüft werden muss. Wenn die Tests für die kritischste Indikation erfolgreich verlaufen, wird das Biosimilar auch für die weniger kritischen Indikationen zugelassen. Biosimilars ermöglichen beträchtlich Einsparungen. Dies zeigt ein Beispiel aus Deutschland: In den ersten zwölf Monaten nach der Lancierung des Epo-Biosimilars Binocrit von Sandoz im Jahr 2007 nahm der Umsatz von 345 Millionen Euro auf 285 Millionen Euro ab. Die Ersparnis setzt sich aus 20 Millionen Euro durch den Einsatz des Biosimilars und aus 40 Millionen Euro durch Preissenkungen bei den Originalpräparaten zusammen. Bis 2020 werden in Deutschland dank Biosimilars Einsparungen in der Höhe von 8 Milliarden Euro erwartet.

Sandoz ist der führende Hersteller von Biosimilars Der weltweite regulierte Biosimilarmarkt (EU/US) wird von vier Firmen beherrscht. In 97 Prozent des Umsatzes von rund 250 Millionen USD im Jahr 2009 teilten sich Sandoz (47 Prozent), Teva/Ratiopharm 10 / 2011


PHARMA

Wirkstoffklasse

Generika

Biosimilars

Biopharmazeutika

Investition für Entwicklung

2–3 Mill. USD

100–150 Mill. USD

800 Mill. USd

Produkteinführungszeit

2–3 Jahre

7–8 Jahre

8–10 Jahre

20–50 Patienten

~ 500 Patienten

800–1000 Patienten

Anzahl der Patienten für Zulassung

Tabelle 3: Die Entwicklung, die Produktion und die Zulassungsbedingungen von Biosimilars sind eher mit denjenigen von Biopharmazeutika als mit denjenigen von Generika vergleichbar. Quelle: Sandoz

(27 Prozent), Hospira (16 Prozent) und Stada (7 Prozent). Aktuellen Prognosen zufolge wird der Markt für Biosimilars bis 2015 auf 2 bis 3 Milliarden USD und auf über 20 Milliarden USD bis 2020 zulegen. Der grosse Anteil von Sandoz am Biosimilarmarkt kommt nicht von ungefähr, produziert das Unternehmen doch in der EU seit 1980 rekombinante Proteine, und zwar über den gesamten Fertigungsbereich. Die1)

Siehe Artikel in «ChemieXtra», Heft 9, Seiten 32 und 33 (2011)

ses Know-how 1), von dem auch der Mutterkonzern Novartis sowie zahlreiche Partnerunternehmen profitieren, erleichterte im Jahr 1996 den Einstieg in die Entwicklung von Biosimilars wesentlich. Als einziges europäisches Unternehmen besitzt Sandoz drei Biosimilars. In der Entwicklungspipeline befinden sich acht bis zehn Moleküle. Die Sandoz-Standorte Kundl und Schaftenau sind die biopharmzeutischen Kompetenzzentren des Novartis-Konzerns. Biopharmazeutika und Biosimilars werden in Kundl mittels mikrobieller Fermentation, in

Schaftenau mittels Zellkulturtechnologie produziert. Vermarktet werden die folgenden Biosimilars: ■ Das rekombinante Wachstumshormon Omnitrope wurde 2006 als erstes Biosimilar in der EU zugelassen. Unterdessen ist es auch in den USA, in Japan und Lateinamerika erhältlich. ■ Binocrit ist seit 2007 das zweite Biosimilar von Sandoz im EU-Markt. Eingesetzt wird das erste in der EU zugelassene Epoetin alfa-Biosimilar beispielsweise bei Anämie (Blutarmut) aufgrund von Erythropoetinmangel, verursacht durch Nierenprobleme. ■ Das Medikament Zarzio gegen Neutropenie, der Verminderung der neutrophilen Granulozyten im Blut (Wirkstoff: Filgrastim), erhielt 2009 die EU-weite Zulassung. Neutrophile Granulozyten sind für die Abwehr von Infektionen wichtig. Quellen: Referat von Jörg Windisch, Head Global Technical Development Sandoz Biopharmaceuticals, in Kundl sowie Presseinformationen und weitere Publikationen von Sandoz.

Erster Jahresbericht zur Tierschutzcharta der Pharmaindustrie Die forschende Pharmaindustrie der Schweiz veröffentlicht 2011 erstmals ihren Jahresbericht zur 2010 verabschiedeten Tierschutzcharta. In dieser Charta verpflichteten sich die Mitgliedsfirmen von Interpharma, die Bedingungen bei Tierversuchen und den Schutz der Labortiere weiter zu verbessern und zu fördern. Die forschende Pharmaindustrie erfüllt in der Schweiz die Auflagen einer der weltweit striktesten Tierschutzgesetzgebungen. Das Anliegen der global tätigen Mitgliedsfirmen der Interpharma, diese hohen Standards in der Schweiz weiter zu fördern und auch weltweit ständige Verbesserung anzustreben, wurde 2010 in einer Zehnpunktecharta verankert, in der sich die Firmen verpflichten, über ihre Fortschritte im Bereich Tierschutz zu berichten. Das Prinzip 3R Der Grundgedanke der Charta folgt dem Prinzip der 3 R «Reduce, Refine, Replace», also Tierversuche zu reduzieren, zu verfeinern und zu ersetzen. Mit dem Beitrag und 10 / 2011

der Unterstützung der Stiftung 3R werden von Interpharma zusammen mit dem Bund Projekte getragen, die sich darauf konzentrieren, Methoden für Labortiere zu verbessern oder Ersatzmethoden zu entwickeln. Auf Firmenebene wird ständig nach solchen Verbesserungen im Sinne von 3R geforscht; einzelne Unternehmen verleihen jährlich einen 3R-Preis, mit dem sie wegweisende Projekte und Erkenntnisse auszeichnen. Entscheidend für das Wohl der Tiere ist nicht zuletzt eine gute Ausbildung des Personals. Darum wurde das neue LAS-OnlineTool für Tierpfleger und Forscher geschaffen. In drei Sprachen verfügbar, fördert es die Qualität der Ausbildung. Den Dialog suchen und führen Die Mitgliedsfirmen Novartis, Roche, Merck Serono, Actelion, Bayer, Vifor und Cilag sind um einen offenen und konstruktiven Dialog bemüht und nahmen im Berichtsjahr verschiedene Möglichkeiten des Austausches von Erkenntnissen und Erfahrungen wahr. Dabei wurde die Charta auch einer kritischen Beurteilung durch externe Experten

unterzogen. Weiter streben die Firmen aktiv den Dialog mit anderen Stakeholdern an. Um die Diskussion auch über die Grenzen der Firmen und der Schweiz hinauszutragen, wird die Tierschutzcharta auch bei Vertragspartnern im In- und Ausland bekannt gemacht. Zusätzlich sind die Mitglieder verpflichtet, ihre Vertragspartner zur Einhaltung hoher Standards zum Wohl der Tiere anzuhalten. In diesem Rahmen haben Interpharma und ihre Mitgliedsfirmen den Kontakt mit dem Schweizer Tierschutz (STS) aufgenommen und treten mit einer der wichtigsten Tierschutzorganisationen in der Schweiz in eine neue Dialogrunde. Die Broschüre kann gedruckt auf Deutsch, Französisch und Englisch bezogen werden. Quelle: Interpharma Kontakt Interpharma Petersgraben 35, Postfach CH-4003 Basel Telefon +41 (0)61 264 34 00 info@interpharma.ch, www.interpharma.ch 39


Bild: Kenpei (Wikipedia)

Immergrüne Magnolie (Magnolia grandiflora)

Abbau von Osteoklasten gestoppt

Natürlicher Wirkstoff hemmt Abbau von Knochen Ein Wirkstoff aus der Magnolie hemmt den Knochenabbau im menschlichen Körper: Dies haben Forscher des Instituts für Biochemie und Molekulare Medizin der Universität Bern und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) «TransCure» herausgefunden.

Erstmals wurde ein pflanzlicher Wirkstoff identifiziert, der den Knochenabbau im menschlichen Körper stoppen kann. Wie ein Forscherteam um Jürg Gertsch vom Institut für Biochemie und Molekulare Medizin der Universität Bern und Mitglied des NFS «TransCure» herausgefunden hat, besitzt Methylhonokiol der Immergrünen Magnolie (Magnolia grandiflora) diese Wirkung. Ausgehend von diesem pflanzlichen Molekül haben die Forscher einen synthetischen Wirkstoff entwickelt, um damit zelluläre Prozesse beim Knochenabbau genauer untersuchen zu können. Sie haben 40

entdeckt, dass der Wirkstoff die Entstehung von Knochen abbauenden Zellen – der Osteoklasten – stoppt. Die Funktionsweise der Osteoklasten zu verstehen beziehungsweise deren Entstehung zu verhindern, ist für die Osteoporose-Therapie von grosser Bedeutung.

Die Magnolie ist das Vorbild Osteoklasten werden schon seit Längerem mit körpereigenen Cannabinoiden – den Endocannabinoiden – in Verbindung gebracht. Weniger bekannt als die Cannabi-

noide aus der Rauschdroge Cannabis, werden diese Endocannabinoide im Körper selber gebildet, zum Beispiel im Knochengewebe. Sie binden an bestimmten Zellen an, den sogenannte Cannabinoid-Rezeptoren. Auf diese Weise regulieren sie wichtige physiologische Prozesse wie das Wachstum oder den Abbau der Knochen. Bisher blieb jedoch unklar, wie der zugrunde liegende molekulare Mechanismus beim Knochenabbau funk tioniert. Das Team um Gertsch hat nun herausgefunden, wie körpereigene Cannabinoide die Entstehung von humanen Osteoklasten fördern. 10 / 2011


PHARMA

Bild 1: Methylhonokiol hemmt den Knochenabbau im menschlichen Körper.

Eine wichtige Rolle spielt dabei der Cannabinoid-Rezeptor CB2. Die Cannabinoide aktivieren diese Rezeptoren auf undifferenzierten Immunzellen, worauf diese zu Knochen abbauenden Zellen reifen. Werden die CB2-Rezeptoren so beeinflusst, dass sie nicht aktiviert werden, können sich die Immunzellen auch nicht zu Osteoklasten weiterentwickeln: Dadurch wird die Knochen abbauende Wirkung gestoppt.

Der neuartige Wirkstoff, der auf dem pflanzlichen Molekül der Immergrünen Magnolie basiert, hat gemäss Gertsch keine psychoaktive Wirkung – trotz seiner strukturellen Ähnlichkeit zu den Cannabinoiden aus Cannabis. «Die von uns synthetisierten Moleküle blockieren die Entstehung der Osteoklasten», erklärt Gertsch. «Sie haben damit das Potenzial, als Leitsubstanzen für neue Arzneimittel in der Behandlung von Osteoporose und Osteoarthritis zu dienen.» Quelle: Universität Bern

Originalpublikation Wolfgang Schuehly et al., «Mechanisms of Osteoclastogenesis Inhibition by a Novel Class of BiphenylType Cannabinoid CB2 Receptor Inverse Agonists», Chemistry & Biology 18 [8], 1053–1064 (2011).

Kontakt Prof. Dr. Jürg Gertsch Universität Bern Institut für Biochemie und Molekulare Medizin Bühlstrasse 28 CH-3012 Bern Telefon +41 (0)31 631 41 24 juerg.gertsch@ibmm.unibe.ch www.ibmm.unibe.ch

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Bilder: TU Wien

ERNÄHRUNG

Bild 1: Gesunde Ernährung: mehr Obst und Gemüse, weniger Fleisch.

Was ausgewogene Ernährung bringen würde

Schnitzel sind schlecht für die Umwelt Wer die Umwelt schonen möchte, sollte weniger Fleisch essen – das sagt eine Studie der Technischen Universität (TU) Wien. Erstmals wurden die ökologischen Vorteile umfassend untersucht, die eine ausgewogene Ernährung in Österreich bringen würde. Ein Umstieg auf Biolebensmittel bringt vergleichsweise wenig.

Eigentlich wissen wir ja, wie ausgewogene Ernährung aussehen würde: Reichlich Getreide, Kartoffeln und Reis, dazu viel Gemüse, Fleisch dafür nur in geringerem Ausmass. Trotzdem finden sich auf Österreichs Speisezetteln noch immer zu viele Fleisch- und Wurstprodukte. Matthias Zessner (Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft, TU Wien) hat gemeinsam mit einem interdisziplinären Forschungsteam untersucht, welche ökologischen Auswirkungen eine ausgewogenere Ernährung in Österreich haben würde. Das Ergebnis: Gesunde Ernährung schont die Umwelt, spart Ressourcen und Anbaufläche. Auf Bionahrung umzusteigen hat hingegen deutlich geringere ökologische und gesundheitliche Auswirkungen. Will man sich und der Umwelt etwas Gutes tun, ist der Griff zu frischem Obst und Gemüse viel wichtiger als jener zum Biofleisch. 42

Was würde es für unsere Umwelt bedeuten, wenn sich die österreichische Bevölkerung gesund ernähren würde? Diese Frage lässt sich nur durch interdisziplinäre Forschung beantworten. Ermöglicht wurde das breit aufgestellte Forschungsprojekt durch das Förderprogramm proVision des österreichischen Wissenschaftsministeriums (BMWF). So untersuchte die TU Wien gemeinsam mit der Österreichischen Vereinigung für Agrarwissenschaftliche Forschung (ÖVAF), dem Institut für Ernährungswissenschaften der Uni Wien und dem Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz, welche Folgen es hätte, wenn sich Österreich an die Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung hielte. Der Konsum an Fleisch und Wurst müsste dazu etwa halbiert werden, Gemüse und Getreide würden hingegen deutlich häufiger auf Österreichs Tellern landen. «Das würde nicht nur Krebsra-

ten reduzieren und Herz-Kreislauf-Erkrankungen vorbeugen, der Flächenbedarf für die Ernährung würde durch ausgewogenere Ernährung von 3600 m2 auf 2600 m2 pro Person sinken», erklärt Zessner. Österreich könnte sich dann ohne Futtermittelimporte selbst versorgen, es bliebe sogar noch zusätzliche Fläche übrig. Die Umstellung würde zu einer Reduktion des Energieverbrauchs der Nahrungsmittelproduktion und zu einem deutlich geringeren Bedarf an Düngemitteln führen. Besonders relevant wäre der Rückgang an klimaschädlichen Gasen: Etwa 10 Prozent unseres Ausstosses an CO2-Äquivalenten fällt in der Nahrungsmittelproduktion an. Eine ausgewogene Ernährung würde etwa ein Drittel davon einsparen. Stark profitieren würden auch unsere Gewässer, durch die sinkende Belastung mit Stickstoff aus der Landwirtschaft. 10 / 2011


ERNÄHRUNG

Derzeitige landwirtschaftliche Produktion

Landwirtschaftliche Produktion bei Eigenversorgung mit empfohlener Ernährung

Flächenbedarf (m² pro Person)

3600

2600

Kumulierter Energieaufwand (kWh pro Person und Jahr)

1100

700

Ausstoss CO2-Äquivalente (kg pro Person und Jahr)

890

580

Stickstoffbedarf (kg pro Person und Jahr)

20

12

Phosphorbedarf (kg pro Person und Jahr)

2,8

2,1

Gewässerbelastung Stickstoff (kg pro Person und Jahr)

8,5

6,5

Gewässerbelastung Phosphor (kg pro Person und Jahr)

0,36

0,34

Tabelle 1: Bei einer Umstellung der landwirtschaftlichen Produktion auf Eigenversorgung mit empfohlener Ernährung würde die Umwelt profitieren.

eindeutig nachweisbaren Unterschied zwischen Biolandwirtschaft und konventioneller Produktion. «Der einzige nachweisbare Unterschied besteht in Rückständen von Pflanzenschutzmitteln», meint Zessner. «Doch hier sind die gesetzlichen Grenzwerte so niedrig, dass man auch bei Produkten aus der konventionellen Landwirtschaft Österreichs keine Bedenken haben muss.»

Bio allein bringt wenig Gleichzeitig wurde in der Studie untersucht, welche Folgen ein Umstieg auf Biolebensmitteln hätte. «Die Auswirkungen in Hinblick auf Energiebedarf, Ausstoss klimarelevanter Gase wie CO2 und Methan und auf die Belastung von Gewässern mit Stickstoff und Phosphor wären gering, und nicht unbedingt nur positiv», meint Zessner. Die Erzeugung von Biolebensmitteln bedingt zwar einen deutlich reduzierten Einsatz von potenziell umweltschädlichen Pflanzenschutzmitteln, braucht aufgrund geringerer Produktionsintensität aber mehr Anbaufläche. Das Platzproblem der österreichischen Landwirtschaft und damit die Abhängigkeit von Ackerflächen in anderen Erdteilen würde durch Bioproduktion also noch weiter verschärft. Einen weitreichenden Umstieg auf Biolandwirtschaft könnten wir uns in Österreich überhaupt nur leisten, wenn damit eine Reduktion des Fleisch- und Wurstkonsums einhergeht.

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Quelle: Technische Universität Wien

Bild 2: Kalorienaufnahme in Österreich. Oben: derzeitige Ernährung, unten: empfohlene Ernährung.

Gesünder sind Biolebensmittel auch nicht unbedingt: Was Vitamine und andere wertvolle Inhaltsstoffe betrifft, gibt es keinen

Kontakt Prof. Matthias Zessner Technische Universität Wien Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Karlsplatz 13 A-1040 Wien Telefon +43 (0)1 58801 22616 mzessner@iwag.tuwien.ac.at www.tuwien.ac.at

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WERKSTOFFE

Bionic Manufacturing

Bauteile – der Natur nachempfunden Leicht und trotzdem stabil: Grashalme, Bambusstangen, Knochen oder Zähne erreichen eine hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht durch raffinierte innere Strukturen und einen ausgeklügelten Materialmix. Auf dieselbe Art lassen sich auch Kunststoffprodukte leichter und haltbarer gestalten.

Bild: Fraunhofer IWM

turen heraus in die gewünschte Form ziehen lassen, funktioniert diese Vorgehensweise bereits sehr gut», berichtet Jaeger, «ebenso bei Teilen, die relativ regelmässig geformt sind.» Alle Bauteile sind trotz ihrer Leichtbauweise sehr stabil und können auch härtere Stösse dämpfen.

Viele mögliche Anwendungen

Bild 1: Links ist eine bionisch inspirierte Leichtbaukonstruktion aus Polyamid zu sehen. Rechts wird die Detailsimulation am Rechner dargestellt.

Vor allem ihrer Struktur verdanken biologische Konstrukte ihre hohe Belastbarkeit – Röhrenknochen etwa sind durch die schwammartige Substanz im Inneren ihrer kompakten Aussenhülle besonders stabil. Um Produkte mit ähnlich idealen inneren Strukturen leicht, materialsparend und solide zu gestalten, arbeiten die FraunhoferInstitute für Werkstoffmechanik IWM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht im Projekt Bionic Manufacturing zusammen. Die Wissenschaftler am IWM in Freiburg suchen ideale Innenstrukturen für Bauteile. «Unser Ziel ist es, so effizient wie die Natur zu arbeiten: Das fertige Bauteil soll nicht mehr wiegen als nötig und dabei trotzdem mechanisch zuverlässig funktionieren», betont Raimund Jaeger vom IWM. Ein grosser Pluspunkt dabei seien die gestalterischen Freiheiten: «Es ist möglich, sehr ästhetische Gebrauchsgegenstände wie einen Designerstuhl herzustellen», erklärt Jaeger. Und sollte ein so ausgelegtes Stück durch eine Überbeanspruchung doch einmal versagen, dann auf «gutmütige» Weise – es zerbricht nicht in scharfe Splitter, sondern knickt weich zusammen. 44

Die Natur tastet sich an die optimale Konstruktion heran Während sich die Natur über Generationen an optimale Konstruktionen herantastet, müssen Konstrukteure und Produktentwickler wesentlich schneller arbeiten. Die Freiburger Forscher haben darum eine neue Vorgehensweise entwickelt: Sie bauen im PC das komplette Werkstück entlang seiner Konturen zunächst aus nahezu identischen, quaderförmigen Elementarzellen auf. Stellt sich in der numerischen Simulation heraus, dass die Gitterstruktur nicht den Anforderungen entspricht, werden die betroffenen Zellwände oder Trabekel gezielt angepasst: «Wir gestalten sie dicker, wenn sie zu schwach sind, schlanker, wenn sie sich besser biegen sollen oder lassen ihre Wände entlang der Kraftlinien verlaufen, die bei einer Beanspruchung entstehen», sagt Jaeger. Auf diese Weise lassen sich viele Formen mit einer Zellinnenstruktur auslegen, in der Simulation bewerten und optimieren. Begleitet werden die Simulationen durch «reale» Versuche, mit denen die Forscher die Strukturen mechanisch testen. «Bei allen Werkstücken, die sich im Computer aus zweidimensionalen Grundstruk-

Anwendungsmöglichkeiten sieht der Wissenschaftler überall dort, wo mechanisch hochwertige und ästhetisch ansprechende Produkte gefragt sind, die leicht sein müssen – beispielsweise medizinische Orthesen oder individuell angepasste Schutzstrukturen für Sportler wie Rückenprotektoren für Schifahrer. Für die technische Umsetzung der biologischen Konstruktionsprinzipien ist das Umsicht zuständig. Die Oberhausener Projektleiter setzen hierbei auf generative Fertigungsverfahren – in diesem Fall auf das selektive Lasersintern von Kunststoffen. Das Verfahren ermöglicht, ein Werkstück Schicht um Schicht aus einem feinen Polyamidpulver wachsen zu lassen, das ein dünner Laserstrahl in Form schmilzt. So können komplexe innere Strukturen und zukünftig auch Bauteile mit räumlich variierenden Werkstoffeigenschaften – Experten nennen sie Gradientenwerkstoffe – hergestellt werden, also mit ähnlich optimalen Strukturen, wie man sie in der Natur beobachten kann. Quelle: Fraunhofer Gesellschaft Kontakt Dr. Raimund Jaeger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Wöhlerstrasse 11 D-79108 Freiburg Telefon +49 (0)761 5142 284 raimund.jaeger@iwm.fraunhofer.de www.iwm.fraunhofer.de 10 / 2011


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WERKSTOFFE

Rapid Prototyping mit elastischen Materialien

Künstliche Blutgefässe aus dem Drucker Gewebe und Organe im Labor zu züchten, daran arbeiten Forscher schon lange. Mithilfe von Tissue Engineering kann man inzwischen zwar künstliches Gewebe aufbauen, an grösseren Organen ist die Wissenschaft bisher aber gescheitert. Fraunhofer-Forscher entwickeln jetzt im Projekt BioRap mit neuartigen Verfahren künstliche Blutgefässe. Diese könnten künftig die Versorgung solcher Organe gewährleisten.

Bild: Fraunhofer IGB

terial polymerisiert und wird fest, es bleibt aber so elastisch wie natürliche Materialien. Diese Reaktion lässt sich derart gezielt steuern, dass der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan möglich ist. «Die einzelnen Techniken funktionieren schon und arbeiten momentan in der Testphase; der Prototyp für die kombinierte Anlage ist im Aufbau», beschreibt Projektleiter Günter Tovar vom FraunhoferInstitut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart den aktuellen Stand der Kooperation.

Tinte werden Röhren Bild 1: Ein Polymerröhrchen, aus dem ein künstliches Blutgefäss werden kann, wird mit Zellmedium gespült.

Mehr als 11 000 Menschen standen allein in Deutschland Anfang dieses Jahres auf der Warteliste für eine Organtransplantation. Doch im Durchschnitt werden kaum halb so viele Transplantationen durchgeführt. Ziel von Tissue Engineering ist es, Organe im Labor herzustellen und hier neue Möglichkeiten zu erschliessen. Weil das nötige Gefässsystem fehlte, ist es Forschern allerdings noch nicht gelungen künstliches Gewebe mit Nährstoffen zu versorgen. Fünf Fraunhofer-Institute haben sich im Jahr 2009 zusammengeschlossen, um biokompatible künstliche Blutgefässe zu entwickeln. Es schien unmöglich, solch kleine und komplexe Strukturen wie Kapillargefässe zu bauen, besonders Verzweigungen und Hohlräume machten den Forschern zu schaffen. Hilfe kam schliesslich aus der Produktionstechnik: Mittels Rapid Prototyping lassen sich Werkstücke direkt nach einem beliebig komplexen 3-D-Modell aufbauen. Nun ist es den Fraunhofer Wissenschaftlern gelun46

gen, diese Technik auch auf elastische Biomaterialien zu übertragen. Dazu kombinierten sie zwei verschiedene Verfahren: die im Rapid Prototyping etablierte 3-D-Drucktechnik und die in der Polymerwissenschaft entwickelte Multiphotonenpolymerisation.

Erfolgreiche Kombination Der 3-D-Inkjet-Drucker kann sehr schnell dreidimensionale Körper aus den verschiedensten Materialien erzeugen. Er trägt das Material in Schichten auf, nur an bestimmten Stellen werden diese Lagen chemisch verbunden. Damit entstehen bereits Mikrostrukturen, für die feinen Strukturen von Kapillargefässen ist die 3-D-Drucktechnik jedoch immer noch zu ungenau. Daher kombinierten die Forscher diese Technik mit der Multiphotonenpolymerisation. Kurze, intensive Laserpulse treffen dabei das Material und regen die Moleküle so stark an, dass diese miteinander reagieren und sich zu längeren Ketten verbinden. Das Ma-

Zur erfolgreichen Herstellung dreidimensionaler elastischer Körper braucht es noch das richtige Material. Deshalb haben die Forscher spezielle Tinten entwickelt, denn die Drucktechnik fordert sehr spezifische Eigenschaften: Die späteren Blutgefässe müssen flexibel und elastisch sein und mit dem natürlichen Gewebe interagieren. Dafür werden die synthetischen Röhrchen nachträglich biofunktionalisiert, so dass lebende Körperzellen an ihnen andocken können. Dazu integrieren die Wissenschaftler modifizierte biologische Strukturen – wie etwa Heparin − und Ankerproteine in die Innenwände. Oft verwenden sie auch Tinten aus Hybridmaterialen, die von vornherein eine Mischung aus synthetischen und natürlichen Polymeren enthalten. In einem zweiten Schritt können sich in den Röhrensystemen Endothelzellen anheften. Diese Zellen bilden im Körper die innerste Wandschicht eines jeden Gefässes. «Die Auskleidung ist wichtig damit die Bestandteile des Blutes nicht kleben bleiben, sondern weitertransportiert werden«, erklärt Tovar. Nur wenn es gelingt, eine komplette Schicht lebender Zellen anzusiedeln, kann 10 / 2011


WERKSTOFFE

das Gefäss so arbeiten wie seine natürlichen Vorbilder und die Nährstoffe an ihr Ziel dirigieren.

Chancen für die Medizin Die virtuelle Simulation der fertigen Werkstücke ist ebenso bedeutsam für den Erfolg des Projekts wie die neuen Materialien und die Herstellungsverfahren. Die Forscher müssen den Aufbau der Strukturen und den Verlauf der Gefässsysteme genau berechnen, um optimale Fliessgeschwindigkeit zu gewährleisten oder einen Stau zu verhindern. Noch stehen die Fraunhofer-Wissenschaftler am Anfang dieser ganz neuen Technologie zum Aufbau elastischer dreidimensional geformter Biomaterialien, doch die Technik bietet die Grundlage für weitere

Entwicklungen. «Wir wenden hier erstmalig Rapid Prototyping auf elastische organische Biomaterialien an. Die Gefässsysteme illustrieren sehr schön die Möglichkeiten dieser Technologie, aber das ist noch längst nicht alles, was geht», betont Tovar. Mit den so erzeugten Blutgefässen liessen sich komplett künstliche Organe an einen Kreislauf anbinden und mit Nährstoffen versorgen. Diese eignen sich dann zwar noch nicht für eine Transplantation, dafür kann der Organkomplex als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen. Auch die Behandlung von Bypass-Patienten mit künstlichen Gefässen ist denkbar. Bis Organe aus dem Labor mit eigenen Blutgefässen tatsächlich implantiert werden, wird es allerdings noch einige Zeit dauern. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

Kontakt Dr. rer. nat. Günter Tovar Fraunhofer-Institut für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik Nobelstrasse 12 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711 970 4109 guenter.tovar@igvt.uni-stuttgart.de www.igb.fraunhofer.de

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U M W E LT

Bild 1: Das umgerüstete Wasserstoffboot «Ross Barlow» mit Hydridspeicher der Empa.

Binnenschiff-Prototyp «auf Wasserstoff»

Ein Hightech-Antrieb für die nächsten 100 Jahre Umweltfreundliche Treibstoffe sind nicht nur für Autos interessant: Die University of Birmingham betreibt seit drei Jahren ein Kanalboot mit Brennstoffzellenantrieb. Im Schiffsbau gelten allerdings andere Gesetze als im Autooder Flugzeugbau: Das Gewicht spielt praktisch keine Rolle, doch der Antrieb sollte so lange halten wie das Boot selbst. Der Hydridspeicher – der Wasserstofftank – für diese anspruchsvolle Langzeitlösung wurde von der Empa entwickelt.

Eine der effizientesten Transportarten überhaupt ist die Verfrachtung per Schiff. Ausgerechnet dort stehen jedoch noch viele ältere Dieselmotoren im Einsatz – ohne Abgasreinigung, ohne moderne Elektronik. Die University of Birmingham startete vor drei Jahren einen ambitionierten Versuch: Ein altes Kanalboot wurde auf Wasserstoffantrieb umgerüstet. Der Dieselmotor samt Getriebe und Tank wurde entfernt; hinein kamen ein hocheffizienter Elektromotor, ein Batteriepack für die kurzfristige Energieversorgung und eine Brennstoffzelle neben Wasserstoffspeicher, um die Batterien nachzuladen. Im September 2007 ging das Boot «Ross Barlow» auf Jungfernfahrt ins britische Binnenkanalnetz, das 3500 Kilometer lang ist. Letztes Jahr fand die bisher längste Reise statt: vier Tage über 105 Kilometer durch nicht weniger als 58 Schleusen – Zeit für eine Bilanz. 48

Beim Umbau des 18 Meter langen Stahlboots galt es zunächst, den Leistungsbedarf zu berechnen. Aufgrund von Erfahrungen mit anderen batteriebetriebenen Kanalbooten fiel die Entscheidung auf einen 10 Kilowatt starken Permanentmagnetmotor.

Brennstoffzelle liefert Energie Die Energie für längere Reisen liefert eine kommerzielle Brennstoffzelle mit 1 Kilowatt Dauerleistung, ursprünglich als unterbruchsfreie Stromversorgung (USV) für Telefonanbieter entwickelt. Die Leistung der Brennstoffzelle reicht jedoch nicht aus, um das Boot anzutreiben. Daher trägt die «Ross Barlow» eine Pufferbatterie von 47 Kilowattstunden Kapazität in ihrem Bauch. Als Speichermedium dienen Bleiakkus – die sind wartungsarm, kostengünstig und leicht zu laden. Das Gewicht der Akkus spielt bei Binnenschiffen keine Rolle.

Die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle übernehmen von der Empa entwickelte und vom Bundesamt für Energie (BFE) mitfinanzierte Hydridspeicher, die Wasserstoff mit einem Energieinhalt von 50 kWh aufnehmen können; das entspricht der Menge, die in 20 Gasdruckflaschen à 10 Liter steckt. Das Speichermaterial besteht aus einer pulverförmigen Legierung aus Titan, Zirkonium, Mangan, Vanadium und Eisen. Dieses Metallpulver ist in luftdichten Stahlrohren eingeschlossen, speichert Wasserstoff und gibt ihn bei Erwärmung wieder ab. Aus diesem Grund steckt jedes Speichermodul in einem Wassertank, der beheizt und auch gekühlt werden kann – denn beim «Auftanken» gibt das Metallpulver Wärme ab. Ausserdem verfügt das Schiff über ein Solarpanel, das bis zu 320 Watt elektrische Leistung liefert. Die Fahrt durch Kanäle und Schleusen bringt einen stark wechselnden Bedarf an 10 / 2011


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Ergebnisse der Testfahrt Auf der viertägigen Sommerreise über 105 Kilometer wurden an Bord der «Ross Barlow» insgesamt 106 kWh Strom verbraucht – inklusive Beleuchtung und dem Laden von Handys und Laptops der Besatzung. Davon lieferte die Batterie 71 Prozent, die Brennstoffzelle 25 Prozent und das Solar10 / 2011

panel 4 Prozent. Einhellig lobte die Besatzung die praktisch lautlose Art, mit der sich das Boot fortbewegte. Beim Aufenthalt in den Schleusen fielen zudem die Abgase eines Schiffsdiesels weg. Das etwa gleich grosse, dieselgetriebene Begleitboot der «Ross Barlow» verbrauchte 50 Liter Diesel, was einem CO2-Ausstoss von 133 Kilogramm entspricht. Die «Ross Barlow» könnte sich dagegen völlig CO2-frei auf Reisen begeben – vorausgesetzt der Wasserstoff stammt aus erneuerbaren Quellen und wird emissionsfrei zum Kanalufer transportiert, an dem das Schiff auftankt. Quelle: Empa

Kontakt Prof. Dr. Andreas Züttel Empa Wasserstoff und Energie Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 40 38 andreas.zuettel@empa.ch www.empa.ch

Kundendienst

Elektrizität mit sich. Um die Brennstoffzelle zu schonen, zieht der Motor den Fahrstrom aus den Bleibatterien. Eine typische Fahrt dauert vier bis sechs Stunden; dabei verbraucht das Kanalboot 12 bis 18 kWh Strom. Die Brennstoffzelle liefert im Dauerbetrieb 24 kWh Energie pro Tag. Davon müssen auch die elektronischen Überwachungssysteme versorgt werden, es stehen also rund 19 kWh zum Laden der Pufferbatterien zur Verfügung – genug Energie für eine sechsstündige Tagesreise. Beständigkeit und Zuverlässigkeit des Metallhydridspeichers wurde zuvor im Labor überprüft. Für den Betrieb der «Ross Barlow» heisst das: Wenn das Schiff 650 Kilometer pro Jahr auf britischen Kanälen zurücklegt, muss es zwölfmal pro Jahr mit Wasserstoff betankt werden. In diesem Fall würde der Hydridspeicher mehr als 100 Jahre halten – und damit die Lebensspanne des Kanalboots problemlos überdauern.

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Bild 2: Hydrid-Speichermodule an Bord der «Ross Barlow».

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Bild: D. V. Kuzmin

Bild 1: Sibirische Flutbasalte am See Glubokoe in der Norilsk-Region

Massenaussterben vor 250 Millionen Jahren

Die grösste Umweltkatastrophe der Erdgeschichte Der Ausbruch gewaltiger Mengen von Flutbasalten in Sibirien führte vor 250 Millionen Jahren zum Permo-Triassischen Massenaussterben, der grössten Umweltkatastrophe der Erdgeschichte, bei der 90 Prozent aller Arten ausgelöscht wurden. Über die Ursache der sibirischen Eruptionen und den Zusammenhang zu dem massenhaftem Artensterben berichtet ein internationales Forscherteam.

Als Magmatische Grossprovinzen werden Gebiete der Erde bezeichnet, in denen sich grosse Mengen magmatischer Gesteine angesammelt haben. Innerhalb einer kurzen geologische Zeitspanne von oft weniger als einer Million Jahren überdeckten dort Ausbrüche mehrere hunderttausend Quadratkilometer mit bis zu vier Kilometer mächtigen Lavaströmen. Die Sibirische Magmatischen Grossprovinz gilt als die grösste ihrer Art weltweit. Einer allgemein anerkannten These zufolge entstehen Magmatische Grossprovinzen durch das Schmelzen von Gesteinen in thermalen Manteldiapiren innerhalb des Erdmantels. Diese heissen Gesteinsblasen, sogenannte Mantelplumes, steigen von der Kernmantelgrenze bis zur Lithosphäre, der festen Gesteinshülle der Erde, auf. Der hohe 50

Auftrieb eines rein temperaturgetriebenen Diapirs müsste eigentlich bei Erreichen der Lithosphäre die Erdoberfläche um etwa einem Kilometer anheben. Diese Anhebung tritt aber nicht bei allen Magmatischen Grossprovinzen auf. Ausserdem reicht die geschätzte Freisetzung von Gasen bei vielen Magmatischen Grossprovinzen nicht aus, um klimatische Katastrophen auszulösen.

Ungelöste Fragen beantwortet Das internationales Forscherteam von geodynamischen Modellierern des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, Geochemikern der Fourier-Universität Grenoble, des Max Planck-Instituts in Mainz sowie der Vernadsky-, Schmidt- and Sobolev-Institute

der Russischen Akademie der Wissenschaften präsentiert ein numerisches Modell und neue geochemische Daten, mit denen diese ungelösten Fragen jetzt beantwortet werden. Ihren Ergebnissen zufolge bestand der Sibirische Mantelplume zu etwa 15 Prozent aus ozeanischer Erdkruste, die vor langer Zeit in den tiefen Erdmantel subduziert («untergeschoben») ist und durch den Mantelplume zurück zur Lithosphäre gebracht wurde. Das Krustenmaterial lag im Plume in Form von Eklogit vor, einem sehr schweren Gestein, das durch seine Masse den Auftrieb des Plumes verringert. Deswegen bewirkte der Plume bei seiner Ankunft an den obersten Gesteinsschichten nur eine geringe Anhebung der Lithosphäre. Zudem schmolz die recycelte Kruste bei viel gerin10 / 2011


U M W E LT

geren Temperaturen als das normale Mantelmaterial Peridotit, wodurch der Plume aussergewöhnlich grosse Magmamengen erzeugte und dadurch in der Lage war, innerhalb von nur einigen hunderttausend Jahren die dicke sibirische Lithosphäre thermisch, chemisch und mechanisch zu zerstören. Weil das wiederverwertete Krustenmaterial besonders viel CO2 und Halogene enthielt, setzte es während dieses Prozesses viele Gase frei, die durch die obersten Erdschichten hindurch in die Atmosphäre gelangten und das Massenaussterben auslösten. Dem Modell zufolge sollte das Artensterben noch vor den grössten magmatischen Eruptionen stattgefunden haben. Obwohl bislang nur wenige hochpräzise Datierungen der Eruptionen und der Massenaussterben vorliegen, scheint diese Aussage für viele Magmatische Grossprovinzen gültig. Quelle: Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam, www.gfz-potsdam.de Originalpublikation Stephan V. Sobolev et al., «Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes», Nature 477, 312–316 (2011).

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06./07.12.

Kurs: Hochleistungs-Dünnschicht-Chromatographie-Massenspektrometrie (HPTLC-MS) Or t: D-60486 Frankfur t am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfur t am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 w w w.gdch.de/for tbildung, fb@gdch.de

06./07.12.

Kurs: Analytische Mikroarrays – Herstellung, Anwendung und Auswertung Ort: D-81377 München Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

Tagung: 7th Status Seminar on Chemical Biology Ort: D-Frankfurt Veranstalter: Dechema e. V. Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 0 www.dechema.de, info@dechema.de

05.–07.12.

Tagung: 10. Dresdner Sensor-Symposium Ort: D-01097 Dresden Veranstalter: Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik e.V. Dresden Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 249 www.fms-dresden.de, fms@fms-dresden.de

06.–09.12.

Kurs: Grundlagen der Organischen Chemie für Mitarbeiter aus Produktion und Technik Ort: D-67098 Bad Dürkheim Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

06.12.

Jahr der Chemie 2011: Novartis celebrates the Year of Chemistry Ort: CH-4057 Basel Veranstalter: Novartis Institutes for BioMedical Research (NIBR) Auskünfte zum Jahr der Chemie 2011: Telefon +41 (0)31 310 40 97 (nur Dienstag und Donnerstag), info@chemistry2011.ch

07./08.12.

Seminar: Reinraumtechnik und Reinraumpraxis – Basis- und Fachkompetenz Ort: D-63741 Aschaffenburg Veranstalter: VDI Wissensforum GmbH Postfach 10 11 39, D-40002 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 6214 201 wissensforum@vdi.de, www.vdi-wissensforum.de

07./08.12.

Seminar: Organische Chemie für Analytiker Ort: D-65926 Frankfurt Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305-12020 www.novia.de, info@novia.de

07./08.12.

Seminar: Inspektion und Charakterisierung von Oberflächen mit Bildverarbeitung Ort: D-76131 Karlsruhe Veranstalter: Fraunhofer-Allianz Vision Am Wolfsmantel 33, D-91058 Erlangen Telefon +49 (0)9131 776 5800 vision@fraunhofer.de, www.vision.fraunhofer.de

07.–09.12.

Kurs: Korrosionsschutz – Grundlagen und Anwendungen Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema e.V. Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253/202 gruss@dechema.de, http://kwi.dechema.de

08.12.

Seminar: HPLC-Wissen kompakt – Methodenrobustheit & Validierungsfehler Or t: D-65812 Bad Soden am Taurus Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfur t Telefon +49 (0)69 305 12020 w w w.novia.de, info @novia.de

Bild: Pixelio, M. Bührke

05./06.12.

06./07.12.

06./07.12.

06./07.12.

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Kurs: HPLC-Basiskurs Ort: D-65812 Bad Soden am Taurus Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 12020 www.novia.de, info@novia.de Kurs: HPLC-Fortgeschrittenenkurs Or t: D-65812 Bad Soden am Taurus Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, D-65926 Frankfur t Telefon +49 (0)69 305-12020 w w w.novia.de, info @novia.de Seminar: Anlagensicherheit in Chemieanlagen Or t: D-85609 Aschheim Veranstalter: VDI Wissensforum GmbH Postfach 10 11 39, D-40002 Düsseldor f Telefon +49 (0)211 6214 201 wissensforum@vdi.de, w w w.vdi-wissensforum.de

10 / 2011

Bild: Pixelio, K.-U. Gerhardt

01./02.12.

DEZEMBER 2011


V E R A N S TA LT U N G E N

Kontaktplattform der Prozessindustrie

Disziplinenübergreifender Wissensaustausch

Bild: MCH Messe Schweiz (Basel) AG

InPulse will ab kommendem Jahr disziplinenübergreifend den Wissensaustausch unter Prozesstechnik-Fachleuten anregen und die Vernetzung der Branche verbessern. Erstmals stattfinden wird die Veranstaltung am 26. und 27. September 2012 in Basel.

Bild 1: InPulse verbindet Prozesstechnik-Fachleute disziplinenübergreifend

Am 26. und 27. September 2012 werden sich die Fachleute der Schweizer Verfahrenstechnik-Branche zur ersten InPulse (www.inpulse.ch) in Basel treffen. Die Veranstaltung verbindet hochkarätige Weiter-

bildungsangebote und Produktinformation mit beruflicher Kontaktpflege und legt einen starken Fokus auf die Praxis der verschiedenen Disziplinen. Als jährliche Plattform ergänzt die InPulse das Angebot der im Dreijahresrhythmus stattfindenden Ilmac, der Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie, um einen anhaltenden und angeregten Austausch zwischen Fachleuten der Prozesstechnik. «Wir stellen fest, dass die einzelnen Disziplinen der Prozessindustrie trotz vieler Gemeinsamkeiten noch nicht optimal untereinander vernetzt sind, und damit ein wertvolles Synergiepotenzial brachliegt. Mit der InPulse wollen wir einen zentralen Beitrag leisten, dass alle zum einzigartigen Erfahrungsschatz des Werkplatzes beitragen und davon profitieren können», so Robert Appel, Veranstaltungsleiter der InPulse. Die InPulse beschreitet Neuland und kombiniert mehrere Formate auf einer einzigen Plattform: Die zentrale Networking-Lounge ist der Treffpunkt für alle Teilnehmer und unterstützt den interdisziplinären Austausch. Die InPulse Expo bietet vielfältige Gelegenheiten zum Erfahrungsaustausch

mit Lösungsanbietern. In fachspezifischen Weiterbildungsmodulen vermitteln Referenten von führenden Fachverbänden, Universitäten und Unternehmen praxisnahes Wissen und interessante Ansätze zur Diskussion.

Kontakt Robert Appel MCH Messe Schweiz (Basel) AG CH-4005 Basel Telefon +41 (0)58 206 23 70 robert.appel@inpulse.ch www.inpulse.ch

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Bild: Barbara Frommann/Uni Bonn

Tödliches Heilmittel aus der Pharaonenzeit?

Das Geheimnis des Flakons von Hatschepsut In der Dauerausstellung des Ägyptischen Museums der Universität Bonn ist ein unscheinbarer Flakon aus dem Besitz der berühmten Pharaonin Hatschepsut zu sehen ist. Dreieinhalb Jahrtausende hütete das Gefäss ein möglicherweise tödliches Geheimnis. Das haben Sammlungsleiter Michael Höveler-Müller und Helmut Wiedenfeld vom Pharmazeutischen Institut der Uni jetzt herausgefunden: In dem Fläschchen war kein Parfüm, sondern eine Art Hautpflegelotion oder gar ein Medikament für eine von Ekzemen geplagte Monarchin. Darüber hinaus fanden die Pharmazeuten eine stark krebserregenden Substanz. Brachte das Heilmittel Hatschepsut den Tod?

Als Michael Höveler-Müller 2009 Kustos des Ägyptischen Museums der Universität Bonn wurde, kam ihm die Idee, das Innere des Gefässes zu untersuchen, das laut einer Inschrift der Pharaonin Hatschepsut gehörte. Eine bis dato als «Verschmutzung» angesehene Verstopfung im Gefässhals könne ja auch der originale Lehmverschluss sein, mutmasste Höveler-Müller damals. Dann wäre vielleicht sogar noch etwas vom ursprünglichen Inhalt zu finden. Mit Helmut Wiedenfeld vom Pharmazeutischen Institut 54

fand er genau den richtigen Partner, um dieser Frage und dem Flakon auf den Grund zu gehen. In der Radiologischen Klinik des Universitätsklinikums Bonn schob man das Gefäss in den Computertomografen. Dort bestätigte sich die Vermutung des Ägyptologen: Nicht nur war der Verschluss intakt, im Innern befanden sich auch noch Reste einer eingetrockneten Flüssigkeit. Proben entnahm Friedrich Bootz von der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheil-

kunde der Universität Bonn mit einem endoskopischen «Eingriff» im Sommer 2009.

Zu fettig für Parfüm Nun konnte Wiedenfeld mit seinem Team die alten Substanzen auf ihre Bestandteile hin untersuchen. Und schnell wurde klar, dass sie kein eingetrocknetes Parfüm gefunden hatten. In dem Gemisch waren grosse Mengen Palmöl und Muskatnussöl enthalten. «Ich habe gleich gedacht, dass 10 / 2011


PANORAMA

sich keiner soviel Fett ins Gesicht schmiert», sagt Wiedenfeld. «Dann sieht man doch aus wie eine Speckschwarte.» Zwei weitere Komponenten brachten den Pharmaforscher auf die eigentliche Bestimmung des Gemischs: «Wir fanden viele ungesättigte Fettsäuren, die bei Hautkrankheiten Linderung verschaffen.» Hier konnte der Ägyptologe einen wichtigen Puzzlestein ergänzen: «Tatsächlich ist bekannt, dass es in der Familie von Hatschepsut Fälle von Hauterkrankungen gab.» Entzündliche Hautkrankheiten wie Schuppenflechte/Psoriasis sind zu einem erheblichen Teil erblich. Und auch die dritte Komponentengruppe spricht dafür, dass es bei dem Mittel nicht um Wohlgeruch ging, sondern um fiesen Juckreiz: Die Pharmazeuten fanden reichlich Kohlenwasserstoffe, die aus Teer und Bitumen stammten. Bis heute werden teerhaltige Cremes zur Behandlung chronischer Hautkrankheiten eingesetzt. Wegen der potenziell krebserregenden Wirkung einiger Inhaltsstoffe wurde Teer inzwischen ganz aus der Kosmetik verbannt, teerhaltige Medikamente gibt es nur noch auf ärztliche Anordnung.

Verursachte die Lotion den Krebstod der Pharaonin? Hat sich Hatschepsut möglicherweise unwissentlich vergiftet? «Vieles spricht dafür», sagt Wiedenfeld. «Wenn man sich vorstellt, dass die Pharaonin chronisch hautkrank war und ihr die Salbe kurzfristig Linderung verschaffte, dann mag sie sich im Laufe einiger Jahre einem grossen Risiko ausgesetzt haben.» Auch der Ägyptologe hält das für wahrscheinlich: «Wir wissen schon lange, dass Hatschepsut Krebs hatte und vielleicht sogar daran gestorben ist», sagt HövelerMüller. «Jetzt kennen wir möglicherweise auch die eigentliche Ursache.» Wie Hatschepsut überhaupt an ihre Lotion kam, darüber können die Bonner Forscher derzeit nur spekulieren. «Die Ägypter waren praktische Ärzte und gute Chirurgen, aber lausige Internisten», sagt Wiedenfeld. «Gut möglich, dass sie das Wissen um bestimmte Medikamente ihren Kontakten nach Persien und Indien verdanken, deren Heilkunst schon in der Antike weit fortgeschritten war.» Quelle: Universität Bonn

Bild: Ägyptisches Museum/Uni Bonn

Benzo(a)pyren

Vor allem das gefährliche Benzo(a)pyren, ein aus mehreren Kohlenstoffringen bestehender aromatischer Kohlenwasserstoff, fanden die Pharmazeuten in Hatschepsuts Fläschchen. «Benzo(a)pyren ist eine der gefährlichsten krebserregenden Substanzen überhaupt», sagt Wiedenfeld. So werde das Risiko, vom Zigarettenrauch Lungenkrebs zu bekommen, ganz wesentlich auf diesen Stoff zurückgeführt.

Bild 1: Das geheimnisvolle Flakon von Hatschepsut.

Kontakt Michael Höveler-Müller Universität Bonn Ägyptisches Museum Regina-Pacis-Weg 7 D-53113 Bonn Telefon +49 (0)228 73 9710 aegyptisches-museum@uni-bonn.de www.aegyptisches-museum.uni-bonn.de

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PANORAMA Bild 1: An den Schwarzen Rauchern in 3000 Meter Tiefe gedeihen ungewöhnliche Lebensgemeinschaften.

Symbiotische Lebensgemeinschaft zur Energiegewinnung

Ein Wasserstoff-Highway in der Tiefsee Weltweit wird nach Wegen gesucht, wie der steigende Energiebedarf umweltfreundlicher gedeckt werden kann. Ein vielversprechender Ansatz scheint der Einsatz Wasserstoff-betriebener Brennstoffzellen zu sein. Während auf diesem Gebiet viel geforscht wird, hat die Natur lebende «Brennstoffzellen» bereits in Betrieb genommen: Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie und ihre Kollegen von Marum an der Universität Bremen entdeckten bei Forschungsfahrten zu heissen Quellen in der Tiefsee Muscheln, die ihre eigenen Wasserstoff-betriebenen Brennstoffzellen «an Bord» haben – und zwar in Form symbiotischer Bakterien.

Bilder: Marum

Heisse Quellen in der Tiefsee entstehen an den Verschiebungszonen der Erdplatten, dort, wo Magma in die obere Erdkruste aufsteigt und Seewasser mit dem hoch erhitzten Magma in Kontakt kommt. Das erhitzte Seewasser löst Mineralien aus der Erdkruste, und tritt mit bis zu 400 Grad

Bild 2: Muschelfelder um die hydrothermalen Quellen herum erreichen eine Ausdehnung von einigen hundert Quadratmetern.

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Celsius an den sogenannten Schwarzen Rauchern wieder aus. So gelangen Schwefelwasserstoff, Ammonium, Methan, Eisen oder Wasserstoff ins Meer. Aus der Oxidation dieser anorganischen Verbindungen gewinnen die Organismen Energie, um Kohlenhydrate aufzubauen. Da in die Tiefen des Ozeans kein Sonnenlicht vordringt, müssen chemische Reaktionen diese Energie liefern. In Analogie zur Fotosynthese spricht man daher von Chemosynthese. Chemosynthetische Mikroorganismen bilden die Existenzgrundlage für einzigartige Lebensgemeinschaften an den heissen Quellen der Tiefsee. Denn viele, bis vor Kurzem noch vollkommen unbekannte Arten von Würmern, Weichtieren und Gliederfüssern können dort nur überleben, weil sie symbiotische Beziehungen mit Bakterien eingegangen sind und somit quasi ihr eigenes Kraftwerk betreiben.

Bislang waren allerdings nur zwei Quellen bekannt, aus denen die jeweiligen symbiotischen Mikroorganismen Energie gewinnen: Schwefelwasserstoff und Methan. «Wir haben jetzt eine dritte Quelle entdeckt», sagt die Leiterin des Forschungsprojekts Nicole Dubilier vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen.

Hohe Wasserstoffkonzentration in 3000 Meter Tiefe In 3000 Meter Tiefe am Mittelatlantischen Rücken, einem untermeerischen Gebirgszug, befindet sich auf halber Strecke zwischen der Karibik und den Kapverdischen Inseln das Logatchev-Hydrothermalfeld. In einer Reihe von Forschungsfahrten registrierten die Forscher hier die höchsten jemals an heissen Quellen gemessenen Konzentrationen an Wasserstoff. «Nach unseren Berechnungen bringt die Oxidation von 10 / 2011


PANORAMA

Wasserstoff dort siebenmal mehr Energie als die Methanoxidation und bis zu 18-mal mehr Energie als die Oxidation von Sulfid», erklärt Dubiliers Mitarbeiterin Jillian Petersen. In den Kiemen der dort lebenden Tiefseemuschel Bathymodiolus puteoserpentis entdeckten die Wissenschaftler dann erstmals einen Schwefel-oxidierenden Symbionten, der auch Wasserstoff einsetzen kann, um Energie und Nahrung zu gewinnen. Um diesen mikrobiellen Wasserstoff-betriebenen «Brennstoffzellen» der Tiefseemuschel auf die Spur zu kommen, waren die Forscher auf die Tiefseeroboter MarumQuest vom Marum und Kiel 6000 vom IFM-Geomar angewiesen. Damit sammelten sie Proben in mehreren tausend Meter Tiefe. Mittels molekularbiologischer Methoden gelang es ihnen anschliessend eines der Schlüsselgene für die Wasserstoff-Oxi-

dation nachzuweisen und den WasserstoffVerbrauch experimentell zu bestimmen. Muschelfelder um die hydrothermalen Quellen herum erreichen eine Ausdehnung von einigen hundert Quadratmetern, auf denen sich dann bis zu einer halben Millionen Individuen tummeln (Bild 2). «Unsere Experimente deuten darauf hin, dass die Muschelpopulation im Logatchev-Hydrothermalfeld bis zu 5000 Liter Wasserstoff pro Stunde oxidiert», rechnet Frank Zielinski vor, der in der Bremer Arbeitsgruppe von Dubilier promoviert hat und inzwischen am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig forscht.

Wasser als Energiequelle Die bakteriellen Untermieter der Muscheln spielen demnach eine beachtliche Rolle als Primärproduzenten und bei der Umwandlung von geochemischer Energie in Biomas-

se. «Entlang der mittelozeanischen Rücken gibt es so etwas wie einen ‹WasserstoffHighway› mit Zapfstellen für die symbiotische Primärproduktion – das sind die Hydrothermalquellen», sagt Petersen. Auch die Symbionten anderer an den Hydrothermalquellen lebenden Tiere, wie die des Röhrenwurms Riftia pachyptila oder die Garnele Rimicaris exoculata, besitzen dieses Schlüsselgen. «Wir gehen deshalb davon aus, dass die Fähigkeit, Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, unter diesen symbiotischen Gemeinschaften weit verbreitet ist, und zwar selbst dort, wo der Wasserstoff in nur sehr geringen Mengen vorkommt», so Nicole Dubilier. Originalpublikation Jillian M. Petersen et al., «Hydrogen is an energy source for hydrothermal vent symbioses», Nature 476, 176–180 (2011).


PANORMA

Erster Nachweis für Viren in der Erdgeschichte

Paget-Krankheit bei Dinosaurier entdeckt Den Paläontologen Florian Witzmann und Oliver Hampe vom Museum für Naturkunde Berlin gelang in Kooperation mit Wissenschaftlern der Charité und des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie eine aufsehenerregende Entdeckung: An einem 150 Millionen Jahre alten Wirbel des Dysalotosaurus lettowvorbecki konnten sie den bisher ältesten Nachweis von Viren erbringen. Der Pflanzen fressende Dinosaurier aus Tendaguru/Tansania hatte zu Lebzeiten eine Paget genannte Knochenkrankheit, die durch masernähnliche Viren ausgelöst wird und bislang nur von Menschen und Primaten bekannt ist.

Ein pathologisch veränderter fossiler Knochen Die Mitarbeiter des Museums für Naturkunde, Florian Witzmann und Oliver Hampe, fanden in den Sammlungen des Museums den pathologisch veränderten fossilen Knochen und analysierten ihn mit ihrem Forschungsteam. Abweichend von anderen Wirbeln zeigt der erkrankte Wirbel des Pflanzenfressers eine gleichmässige Verdickung im mittleren Abschnitt und eine blumenkohlartige Oberflächenstruktur. In der Mikro-Computertomografie offenbart der fossile Wirbel das charakteristische radiologische Erscheinungsbild der Paget-Krankheit: Knochenabbau im inneren Bereich des Wirbels und Knochenanbau im äusseren Bereich, der zu einer Verdickung der Aussenschicht führt (Bild 1). Die Paget-Krankheit befällt beim Menschen hauptsächlich den Schädel, die Wirbelsäu58

Bild: zvg

Die Entdeckung der Paget-Krankheit an einem Wirbel des Dysalotosaurus lettowvorbecki, einem kleinwüchsigen, zweibeinigen, 150 Millionen Jahre alten Dinosaurier aus Tansania gilt als Sensation. Die Knochenerkrankung kann erstmalig als indirekter Beweis für das Vorhandensein von Viren in erdgeschichtlicher Zeit angesehen werden und das bereits vor 150 Millionen Jahren.

Bild: F. Wieder, A. Hilger, HZB

Die Paget-Krankheit ist eine gutartige Knochenerkrankung, bei der die Knochen sich vergrössern, deformieren und immer schwächer werden. Bekannt aus der Humanmedizin ist, dass Viren am Erkrankungsprozess beteiligt sind, möglicherweise in Kombination mit genetischen Defekten.

Bild 1: Strukturveränderungen durch PagetKrankheit an einem Dinosaurierknochen.

Bild 2: Florian Witzmann – mit dem untersuchten Wirbel – und Oliver Hampe hinter dem Skelett des Dysalotosaurus in den Ausstellungen des Museums für Naturkunde.

le und die Beckenknochen. In der Archäologie sind einige Beschreibungen der PagetErkrankung an Knochen bis ins Neolithicum (Jungsteinzeit) bekannt geworden. Nur vereinzelt existieren andere Nachweise, zum Beispiel beim Orang-Utan und den Halbaffen. Daher ist der Nachweis der Paget-Krankheit bei Fossilien von aussergewöhnlicher Bedeutung. Schon bei den Dinosauriern verlief der Infekt nach dem gleichen Muster wie beim Menschen, so die radiologischen Befunde. Daraus folgt, dass es Paramyxoviren, die potentiellen Auslöser der Paget-Krankheit, bereits seit mindestens 150 Millionen Jahren geben muss.

Originalpublikation Florian Witzmann et al., «Paget disease of bone in a Jurassic dinosaur», Current Biology 21 [17], R647-R648 (2011).

Quelle: Museum für Naturkunde Berlin

Kontakt Dr. Florian Witzmann Museum für Naturkunde Invalidenstrasse 43 D-10115 Berlin Telefon +49 (0)30 2093 8820 florian,witzmann@mfn-berlin.de www.naturkundemuseum-berlin.de 10 / 2011


PRODUKTE

TOC-Analysatoren

Die neue Reihe von TOC-Analysatoren von Shimadzu arbeitet nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung bei 680 °C. Damit ist die effiziente Analyse aller organischen Komponenten möglich. Die Technik wurde von Shimadzu entwickelt und wird inzwischen weltweit angewandt. Zu den vier neuen TOC-L Modellen zählen PC-gesteuerte wie auch Standalone-Geräte. Mit ihrem weiten Messbereich von 4 µg/l bis 30 000 mg/l eignet sich die TOC-L-Serie für jede Art von Wasserqualitäten – von reinem bis zu hochgradig kontaminiertem Wasser. Darüber hinaus unterstützen die Analysatoren die Messung von festen und gasförmigen Proben. Zu den besonderen Eigenschaften der Geräte dieser Serie gehören automatisches Probenansäuern und Probenausgasen ebenso wie eine automatische Verdünnungsfunktion, die Salzgehalt, Azidität und Basizität reduziert und so die Nutzungsdauer von Katalysatoren und Verbrennungsrohren erheblich verlängert. Hochpräzise Massenfluss-Steuerungen gewährleisten einen ununterbrochenen Trägergasfluss und sorgen so für Analysen von höchster Genauigkeit. Durch den Einsatz eines wartungsfreien Peltier-Kühlers wird Wasserdampf bestmöglich entfernt und so eine optimale Analyse sichergestellt. Zusätzliche Ausstattungsmerkmale sind ein neuartiger LCD-Farbmonitor für das Standalone-Gerät sowie USB-Kommunikation zwischen Computer, Drucker und Speichermedien. Zur gleichzeitigen Durchführung von Gesamtkohlenstoff- und Gesamtstickstoffanalysen (TOC/TN) lässt sich ein TNM-L-Modul hinzufügen, ohne dass sich die erforder-

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liche Stellfläche vergrössert. Die hochempfindliche Chemilumineszenz-Detektion bietet einen Messbereich zwischen 5 µg/l und 10 000 mg/l. Ausserdem erlaubt die TOC-L-Serie variable Spritzengrössen zur Analyse kleiner Probenvolumen. Optionale Salzkits ermöglichen es, zwölfmal mehr stark salzhaltige Proben zu analysieren bevor eine Wartung erforderlich ist. Der ASI-LAutosampler kann drei verschiedene Grössen von Probenfläschchen für unterschiedliche Anwendungen nutzen, während der kleinere OCTL-Autosampler jede Flaschengrösse für bis zu 8 bzw. 16 Proben aufnimmt. Die TOC-Control-L-Software für PCgesteuerte Systeme verbindet neue Funktionalitäten mit leichter Bedienbarkeit. Die übersichtliche Fenstergestaltung des Probeneditors macht alle wichtigen Informationen auf einen Blick sichtbar. Die Probentabelle lässt sich jetzt durch einfaches «drag & drop» erstellen. Darüber hinaus sind viele hilfreiche Funktionen über die rechte Maustaste erreichbar, was die Bedienung erheblich vereinfacht. Die Software-Version erlaubt zusätzliche Proben während eines Analysezyklus hinzuzufügen. Dies geschieht im sogenannten Bearbeitungsmodus, wobei jede gewünschte Anzahl von Proben, Kalibrierstandards oder Kontrollproben hinzugefügt werden kann. Es ist auch möglich, zuvor bereits gemessene Proben neu zu berechnen oder Berichte zu drucken. Bewährte Funktionen sind ebenfalls vorhanden – wie das Einrichten von Regelkarten, Prüftabellen, Exportaufgaben und Unterstützung von 21 CFR Part 11. Die umweltfreundlichen Systeme verbrauchen 43 Prozent weniger Energie als die Vorgängermodelle und die Breite des TOC-L wurde um 20 Prozent reduziert, was wertvollen Platz im Labor einspart.

Mobile Barcodeerfassung im Ex-Bereich

Im Ex-Bereich kabellos Barcodes lesen – dafür hat Pepperl+Fuchs ein funkbasiertes Barcodelesesystem entwickelt, das in explosionsgefährdeten Umgebungen entsprechend Zone 1 (Atex) eingesetzt werden kann. Der Barcodeleser überträgt die eingelesenen Daten zur Basisstation. Beide Komponenten können im ExBereich untergebracht werden. Versorgt wird der Barcodeleser durch eine Ladestation, die sich im sicheren Bereich befindet. Das System eignet sich für das Einlesen aller marktüblichen Barcodefamilien und ist für die Erfassung von Betriebsdaten im Ex-Bereich und unter rauen Bedingungen optimiert. Dank patentierter Technologie können auch schlecht lesbare oder beschädigte Codes sicher erkannt werden. Die Zieloption unterstützt den Anwender bei der Iden-

tifikation nahe beieinander angebrachter Codes. Erfolgreiches Einlesen wird akustisch und optisch bestätigt und kann im Display abgelesen werden. Drei LED garantieren, dass die Lesebestätigung aus jedem Blickwinkel einwandfrei lesbar ist. Den häufig anspruchsvollen Einsatzumgebungen wird das robuste Design gerecht: Selbst nach einem Fall aus zwei Metern Höhe ist die einwandfreie Funktion des Barcodelesers gewährleistet. Die grosse Leseentfernung von bis zu 1100 Millimetern sowie die Entfernung der Basisstation von bis zu 50 Metern zum auswertenden und versorgenden Gerät entsprechen den Kundenanforderungen bei der Erfassung von Betriebsdaten unter Industriebedingungen. Das kabellose Barcodelesesystem der Produktfamilie PowerScan ist besonders geeignet für den Einsatz zusammen mit den Bedienstationen der VisuNet-Familie, den TermexBedienterminals oder als Standalone-Lösung. Pepperl+Fuchs AG Sägeweg 7 CH-2557 Studen Telefon +41 (0) 32 374 76 76 info@ch.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.ch

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PRODUKTE

Rein- und Reinstwasser aus einem einzigen System Die preisgekrönten Purelab flex 3 & 4 liefern präzise die passende Wasserqualität für die jeweilige Anwendung und überzeugt durch Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit. Sie bereiten kleine Reinstwasservolumen bis 10 Liter pro Tag kosteneffizient auf – auch direkt aus Trinkwasser. Sie zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: • zuverlässige Reinstwasserqualität bis zu 18,2 MΩ-cm • Echtzeit-Überwachung des TOC-Gehalts • übersichtliches Display zeigt alle wichtigen Informationen • Datenerfassung über USBSchnitt stelle zur Qualitätssicherung • schnelle und einfache Desinfektion • intuitive Bedienung • ergonomisch gestalteter Multifunktions-Dispenser • höhenverstellbarer und flexibler Entnahmearm • Tisch- oder Wandinstallation möglich • flexible Wasserentnahme (unter anderem variabler Fluss bis zu 2 l/min und automatische Entnahme von Volumen bis 60 Liter).

Die Geräte wurden ausgezeichnet mit dem Red Dot Design Award 2011, dem dba Design Effectiveness Awards 2011, dem Gold Award Aquatech China 2010 sowie dem GIT Innovations Award 2010. Labtec Services AG Gewerbering 23 CH-5610 Wohlen Telefon +41 (0)56 619 89 19 info@labtec-services.ch www.labtec-services.ch

Gefriertrocknungsanlagen mit neuer Steuerung Die Steuerung LSC (Lyophilization Screen Control) in Martin-ChristGefriertrocknungsanlagen ist effektiv und wird bisher in mehr als 1500 Anlagen weltweit eingesetzt. Sie hat eine umfangreiche Funktionalität, aber durch begrenzte Speicherkapazitäten können spezielle Kundenwünsche nicht immer realisiert werden. Ebenso können neue Funktionen, welche von generellem Interesse für die Gefriertrocknung sind, nicht implementiert werden. Die Anwendung neuer zukunftweisender Technologien – der Einsatz eines Hochleistungs-DigitalsignalProzessors, eines hochauflösenden Farb-TFT-Displays und der TouchFunktionalität bieten Spielraum für zukünftige Erweiterungen und zusätzliche Leistungsmerkmale. Neue Ideen sowie Erfahrung von Kunden und eigenen Entwicklern können somit schnell umgesetzt werden. Der farbige Touch-Screen und das weiterentwickelte, intuitiv zu bedienende Menü bieten dem Anwender schnellen Zugriff auf alle erforderlichen Funktionen. Übersicht der Merkmale: • farbiger Touchscreen mit Anlageschema

• Bedienerstruktur analog zu Christ-LSC-Steuerung • Übersicht aller Sollwerte auf einer Display-Seite • wählbare Masseinheiten °C/°F • graphische Darstellung von Trocknungsprogrammen, wie von LPC-32 Software bekannt • Passwortschutz • Muster-Trocknungsprogramme für verschiedene Produkte • Integration in Netzwerkstrukturen. Kühner AG Dinkelbergstrasse 1 CH-4127 Birsfelden Telefon +41 (0)61 319 93 93 fwirth@kuhner.com www.kuhner.com

Spektrometer für Genomik, Proteomik, Zellbiologie und Biochemie Das neue BioSpectrometer von Eppendorf verbindet Genauigkeit mit Sensitivität, geführter Bedienung und Flexibilität in einem kleinen, robusten Gerät. Das BioSpectrometer bietet Methoden für eine breite Palette von Routineanwendungen und komplexen Aufgabenstellungen in der Genomik, Proteomik, Zellbiologie und Biochemie.

führten Prozess mit innovativer Software durch die Methoden geleitet, was die Fehlergefahr minimiert. Dabei wird der gesamte Bedienablauf durch ein Hilfefenster unterstützt, welches jeden Schritt erläutert. Zwei unterschiedliche Modelle ermöglichen jedem Labor das optimale Gerät für seinen individuellen Bedarf zu wählen.»

Tanja Musiol, Global Product Manager Detection der Eppendorf AG, erklärt: «Das Eppendorf BioSpectrometer ermöglicht vielfältige Verfahren für die unterschiedlichsten Methoden in der Molekular- und Zellbiologie sowie Biochemie. Mit diesem Gerät können sowohl Spektren als auch einzelne Wellenlängen in einem Spektralbereich von 200 bis 830 nm aufgenommen werden. Der Anwender wird in einem ge-

Für den Betrieb des Systems wird kein PC benötigt. Zusätzlich zur automatischen Ergebnisdarstellung erlauben integrierte Datenverarbeitungsoptionen eine grundlegende Datenbearbeitung unmittelbar am Gerät. Im internen Ergebnisspeicher werden bis zu 1000 Ergebnisse direkt im BioSpectrometer gespeichert. Vorprogrammierte Methoden ermöglichen einen schnellen Start und tragen zur Fehlerver-

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meidung bei. Für eine unkomplizierte Datenübertragung ist ein USB-Port vorgesehen. Beim Modell BioSpectrometer kinetic mit seinem temperierbaren Küvettenschacht ist kein separates Zubehör für eine Temperierung der Proben erforderlich. Die Temperatur des Küvettenschachts kann frei zwischen +20 und +42 °C in Schritten von 0,1 °C gewählt werden. Dies ermöglicht die Bestimmung von Enzym- und Substratkinetiken. Vorprogrammierte Kinetikmethoden erleichtern zudem die Bedienung. Von Routineanwendungen wie zum Beispiel der Protein- und Nukleinsäure-Quantifizierung bis hin zu komplexen molekularbiologischen Methoden liefert das Eppendorf BioSpectrometer hochpräzise Ergebnisse, gepaart mit grosser Fle-

xibilität in einem kleinen, kompakten Gerät.

Vaudaux-Eppendorf AG Im Kirschgarten 30 CH-4124 Schönenbuch Telefon +41 (0)61 482 14 14 vaudaux@vaudaux.ch www.vaudaux-eppendorf.ch

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PRODUKTE

01dB-Metravib neu mit Schweizer Vertretung Ab sofort wird die französische 01dB-Metravib, welche zum Areva Konzern gehört, durch die Firma Tracomme AG exklusiv vertreten. Der Hersteller von DMA-Geräten (DMA = dynamisch-mechanische Analyse) hat die bestehende Linie (Kraftbereich bis 450 N und Frequenz bis 10 000 Hz) um eine Ermüdungstestmaschine für Risswachstumanalyse erweitert: das DMA + 300, speziell entworfen und dimensioniert für Ermüdungsprüfungen an Elastomeren und Risswachstum in Gummimischungen. Bei Letzterem wird durch die Initiierung eines Risses an einer Seite der Elastomer-Folienprobe mit einem optischen System die Ermüdung während eines frei definierten, zyklischen, dynamisch-mechanischen Tests beobachtet. DMA + 300 besteht aus einem Standgerät, einer thermischen Kammer (–150 bis +600 °C), einem motorisierten Binokular und Datenerfassung mit der Software Multitest. Diese Konfiguration ermöglicht die

Beobachtung und Auswertung von Risswachstum mit einer einzigartigen Genauigkeit.

Tracomme AG Webereistrasse 47 8134 Adliswil Telefon +41 (0)44 709 07 07 tracomme@tracomme.ch www.tracomme.ch

Neuer Katalog zu Pumpen und Systemen im Labor Erweitert und durch neue Produkte ergänzt hat KNF Lab – die Laborsparte von KNF Neuberger AG – ihren Katalog zu Pumpen und Systemen für das Labor. Wer Vakuum oder Druck benötigt, wird hier ebenso fündig wie Anwender, die neutrale, korrosive oder aggressive Gase oder Flüssigkeiten fördern möchten. Das Angebot reicht von Vakuumpumpen und Kompressoren über Förder- und Dosierpumpen bis hin zu Vakuumsystemen (Einzel- und Mehrplatzsysteme). Der in Deutsch und Englisch aufgelegte Katalog präsentiert das umfangreiche Produktprogramm übersichtlich, detailliert und mit allen wichtigen technischen Daten. Ausführungen zu Technik und Service runden den Inhalt ab. Die KNF Neuberger AG entwickelt, produziert und vertreibt Membranpumpen seit über 40 Jahren. Ihre Laboraktivitäten hat das weltweit tätige Unternehmen in die Laborsparte KNF Lab überführt.

KNF Neuberger AG Stockenstrasse 6 8362 Balterswil Telefon +41 (0)71 971 14 85 knf@knf.ch www.knf.ch

Luftkühlung abgeführt und somit kann auf eine teure externe Wasserkühlung verzichtet werden. «Durch das schlanke Design des Spectroblue haben wir sowohl den Anschaffungspreis als auch die Betriebskosten des Gerätes reduziert», erklärt Schulz. «Das Gerät wurde speziell für die Anforderungen von Laboren mit hohem Durchsatz entwickelt. Der praxiserprobte Generator des Spectroblue bietet aussergewöhnliche Verfügbarkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit. Das einzigartige OPI-AIR Plasma Interface macht das Spectroblue zum ersten ICP-OES-Gerät, das keine externe Kühlung benötigt. Entsprechende Anschaffungs- und Energiekosten entfallen.» Die Optik des Spectroblue mit dem volltransparenten UV-PLUS-System gewährleistet über viele Jahre eine ausgezeichnete Stabilität. Da das optische System hermetisch verschlossen ist, wird kein Spülgas benötigt, sodass sich über die Lebensdauer des Geräts bis zu einem Drittel der Anschaffungskosten ein-

sparen lassen. Ausserdem sorgt die innovative Paschen-Runge-Optik für einen direkten Lichtweg mit maximalem Lichtdurchsatz. Das System verarbeitet damit linienreiche Spektren wesentlich einfacher, erreicht eine höhere Messgenauigkeit und reduziert teure Nachbearbeitungen. Über diese Merkmale hinaus ist das Spectroblue ICP-OES mit der Spectros Smart-Analyzer-Vision-Software ausgestattet. Deren flexibles Interface macht es erfahrenen Anwendern sowie Einsteigern gleichermassen leicht, auf Anhieb von der einfachen Bedienung und den einzigartigen analytischen Möglichkeiten zu profitieren.

Leistungsstarkes ICP-OES-Gerät

Das optische Emissionsspektrometer Spectroblue mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) von Spec tro Analytical Instruments setzt unter den kompakten Mittelklasse-Spektrometern neue Massstäbe bei einfacher Bedienbarkeit, geringem Wartungsaufwand und Preis. «Das Spectroblue ICP-OES ist das perfekte Gerät für Umweltlabore, die ein kostengünstiges Spektrometer mit hohem Durchsatz suchen. Das Spectroblue erreicht eine ausgezeichnete Leistung für gängi-

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ge Anwendungen, wo Stabilität, reibungsloser Betrieb und Durchsatz genauso wichtig sind wie Empfindlichkeit und Auflösung. Es vereint ein extrem zuverlässiges Design mit kompromisslosen technischen Innovationen bei gleichzeitig niedrigsten Betriebskosten seiner Klasse», sagt Olaf Schulz, Produktmanager ICP-OES. Das robuste Generator-Design hält selbst für extreme Plasmalast genügend Leistungsreserven vor. Die Wärme der Hochlast-Keramik-Röhre wird dabei durch eine innovative

Spectro Analytical Instruments GmbH Boschstrasse 10 D-47533 Kleve Telefon +49 (0)2821 8 92 0 spectro.info@ametek.com www.spectro.com

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PRODUKTE

Sieben und Abfüllen von pulverförmigen Produkten

Eine modular aufgebaute Siebmaschine in solider und passgenauer Verarbeitung ist das Ergebnis der Überarbeitung der Niagara M-Class durch Haver & Boecker. Ihre Gesamtkonstruktion wurde im Zusammenwirken mit einer Finite-Element-Analyse vollständig optimiert. Dabei handelt es sich um eine theoretische, auf dem Computer simulierte Berechnung, die die Formstabilität der Materialien darstellt. Die Bestimmung kinematischer und dynamischer Eigenschaften unter Zuhilfenahme von Bewegungsanalysen ist mit dieser Analyse ebenfalls möglich. Die Siebmaschine des Typs Niagara M-Class bietet viele Trennschnitte auf engstem Raum und damit eine hohe Siebgüter- und Gutkornausbeute. Bis zu 15 Deckrahmen sind auf einer Siebmaschine stapelbar, wobei auch mehrfache Trennschnitte im Bereich von 2000 bis 200 µm realisierbar sind. Ein schneller und ergonomischer Wechsel der Siebbeläge garantiert

einen optimalen Arbeitsfluss. Mit der Haver-Adams-Process-Technologie können pulverförmige Produkte umweltschonende in dichte bewitterungstaugliche PE-Säcke abgefüllt werden. Damit verbunden sind ein optimaler Produktschutz, die Verlängerung der Lagerfähigkeit, Sauberkeit auf der gesamten logistischen Strecke und ein belastbares Gebinde. Mit dem neuen Adams 2000 (siehe Bild) wird eine deutliche Leistungssteigerung von 2000 Säcken pro Stunde erzielt. Erreicht wird dies durch ein kontinuierlich rotierendes System sowie durch Verbesserungen bei der Produktverdichtung und im Bruttowiegeund Sackabnahmesystem.

Haver & Boecker Maschinenfabrik Oelde Carl-Haver-Platz D-59302 Oelde Telefon +49 (0)25 22 300 mf@haverboecker.com www.haverboecker.com

Hygienische Bandwaage

Die hygienische Bandwaage DBW400 von Gericke ist auf Anwendungen ausgerichtet, bei denen schnelle Rezepturwechsel und hohe Prozesssicherheit gefragt sind. Die Waage ist nach hygienischen Kriterien konstruiert, um einerseits eine hohe Produktreinheit und andererseits kurze Umstellungszeiten zwischen verschiedenen Produkten zu erreichen. Bandwaagen werden für die Zuführung und Dosierung von stückigen, brüchigen, zerbrechlichen und auch rieselfähigen Produkte eingesetzt. Dazu gehören beispielsweise Hafer-, Weizen- und Gerstenflocken sowie Cornflakes, Nüsse, Bonbons oder Waschmittel. Da die Bandwaage bei kompakter Bauweise hohe Dosierleistungen gestattet, ist sie für viele Anwendungen eine interessante Alternative zu Schneckendosierern. Ausgangspunkt bei der Entwicklung war eine stabile Rahmenkonstruktion. Diese ermöglicht die Integration von grossflächigen Sichtfenstern. So kann während des Betriebs sehr leicht überprüft werden, ob der Dosierprozess stabil läuft. Glatte und ebene Oberflächen sowie eine hervorragende Zugäng-

lichkeit zu allen Teilen innerhalb der Waage ermöglichen eine einfache und schnelle Reinigung. Nicht nur das Öffnen der Waage, auch ein kompletter Bandwechsel kann ohne zusätzliche Hilfsmittel erfolgen. Die Wiegetechnologie arbeitet in Verbindung mit der Gericke-Dosiersteuerung Easydos Pro. Anwendungsprogramme und Konfigurationen können vom PC, Programme und Daten auch über USB-Stick, geladen werden. Die Dosierbandwaage deckt den Leistungsbereich von 30 l/h bis 65 000 l/h ab. Der Produktzulauf erfolgt bei der Bandwaage kontinuierlich. Somit entfallen Wiederauffüllungs-Sequenzen, was die Einbauhöhe vermindert und das zu dosierende Produkt zusätzlich schont. Dank der hohen Messgeschwindigkeit kann die Waage auch den hohen Ansprüchen im Kurzzeitbereich gerecht werden.

Gericke AG Althardstrasse 120 CH-8105 Regensdorf Telefon +41 (0)44 871 36 36 gericke.ch@gericke.net www.gericke.net

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LIEFERANTENVERZEICHNIS

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Brechbühler AG Industriestrasse 32 Postfach 18 CH-3175 Flamatt Tel. 031 744 00 00 Fax 031 741 25 55

Steinwiesenstrasse 3 CH-8952 Schlieren Tel. +41 44 732 31 31 Fax +41 44 730 61 41 sales@brechbuehler.ch www.brechbuehler.ch

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FÖRDERTECHNIK

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SPEKTROPHOTOMETER

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QUALIFIZIERUNG/ VALIDIERUNG SKAN AG Postfach CH-4009 Basel info@skan.ch

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REINRAUMTECHNIK SKAN AG Postfach CH-4009 Basel info@skan.ch

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Industriestrasse 32 Postfach 18 CH-3175 Flamatt Tel. 031 744 00 00 Fax 031 741 25 55

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Fachzeitschrift für die Chemiebranche

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