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September 2012

FACHBERICHTE · MESSEN · NEWS

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

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«Alles ist Chemie», sagte schon Justus von Liebig Die Chemie ist eine Wissenschaft mit vielen Facetten. In «ChemieXtra» berichten wir in

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zahlreichen Rubriken über Entwicklungen in Teilbereichen. Ganz bewusst werden aber auch Themen aus verwandten Gebieten wie Physik, Medizin oder Ernährung berücksichtigt, sagte doch schon der berühmte Chemiker Justus von Liebig (1803–1873): «Alles ist Chemie». Auch in dieser Ausgabe unserer Fachzeitschrift können wir wieder über viel Interessantes aus der Chemie im Liebigschen Sinne berichten. Hier einige Beispiele: – Überraschendes berichten Chemiker von der Technischen Universität München. Sie konnten nachweisen, dass in der Natur entgegen der aktuellen Lehrmeinung elementares Flour vorliegt; es ist in Stinkspat, einem Fluorit, eingeschlossen (Seite 10). – Trinkwasser ist oft Mangelware. Chemiker an der Ruhr-Universität Bochum arbeiten an einem Verfahren, mit dem Meerwasser mit wesentlich geringerem Energieaufwand entsalzt werden kann (Seite 11). – Ammoniummagnesiumphosphat – (NH4)Mg(PO4) . 6 H2O, auch als Struvit bekannt – ist ein wertvolles Düngemittel. Forscher in Stuttgart haben ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, in dem Struvit direkt aus Klärschlamm, Abwässern oder Gülle gewinnen lässt (Seite 32).

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– Das Bakterium Clostridium difficile sondert ein Gift ab, das Darmzellen schwer schädigt. ETH-Forscher haben eine Therapie entwickelt, bei der nicht das Bakterium, sondern das von ihm produzierte Toxin unschädlich gemacht wird (Seite 36). – Aerographit hat eine Dichte von 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter. Dies ist 75-mal weniger als die Dichte von Styropor. Es handelt sich um ein Netzwerk von porösen Kohlenstoffröhrchen, die auf Mikro- und Nanoebene dreidimensional ineinander verwachsen sind (Seite 42). – Max-Planck-Wissenschaftler haben berechnet, wie die Luftqualität sich verändern wird, wenn nicht Gegenmassnahmen ergriffen werden. Besonders drastische Verschlechterungen der Luft- und damit auch

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der Lebensqualität werden für China, Nordindien, den Mittleren Osten sowie Norafrika vorausgesagt (Seite 47).

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I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

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CHEMIE

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Direktnachweis des Elements Fluor in der Natur 10

Ein besonderer Fluorit, der «Stinkspat», sorgt seit fast 200 Jahren für Diskussionsstoff. Das Mineral verströmt beim Zerkleinern einen intensiven Geruch. Nun konnten Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) im Stinkspat erstmals direkt natürliches elementares Fluor nachweisen.

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Das Protein MMS19 trägt dazu bei, Eisen-Schwefel-Zentren in Proteine einzubauen, die für die Vervielfältigung und Reparatur der Erbsubstanz DNA erforderlich sind. Das berichten Marburger und US-amerikanische Wissenschaftler. Die Funktion von MMS19 kommt bei Einzellern wie der Hefe ebenso vor wie bei komplexeren Organismen, auch beim Menschen.

NEWS

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

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

Erscheinungsweise 10 × jährlich Jahrgang 2. Jahrgang (2012) Druckauflage 12000 Exemplare ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com Geschäftsleiter Andreas A. Keller

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Ultraschnelles Schalten mit Licht statt Strom

In Zukunft könnten in der Informationstechnologie Transistoren zum Einsatz kommen, die mit Licht statt mit Strom funktionieren. Forschern an der ETH Zürich ist es gelungen, eine Vorstufe solcher optischer Transistoren zu entwickeln: einen ultraschnellen Schalter, den man mit einem einzelnen Lichtteilchen ein- und ausschalten kann.

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FIRMENREPORTAGEN

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FIRMEN BERICHTEN

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VERFAHRENSTECHNIK

BIOWISSENSCHAFTEN Wie sich Zellen gegen Genschäden schützen

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FORSCHUNGSWELT

Anzeigenverkauf SIGImedia AG Jörg Signer Pfaffacherweg 189 Postfach 19 CH-5246 Scherz Telefon +41 (0)56 619 52 52 Telefax +41 (0)56 619 52 50 info@sigimedia.ch Chefredaktion Dr. Kurt Hermann Neumattstrasse 60 CH-3400 Burgdorf Telefon +41 (0)34 423 35 61 Telefax +41 (0)34 423 35 62 redaktion@sigwerb.com

Pflanzendünger aus Abwasser

Klärschlamm, Abwässer und Gülle sind wertvolle Quellen, aus denen sich Dünger für die Nahrungsmittelproduktion gewinnen lässt. Forscher in Stuttgart haben jetzt ein chemikalienfreies und umweltschonendes Verfahren entwickelt, mit dem rückgewonnene Salze direkt zu Dünger umgesetzt werden.

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I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

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LABOR

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Die Luftverschmutzung wird weltweit zunehmen

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ANALYTIK

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MEDIZIN/PHARMA Toxine statt Bakterien bekämpfen

Heisse Sommertage sind in Grossstädten oft kein Grund zur Freude. Zu schlecht ist die mit Auto- und Industrieabgasen belastete Luft. Ein Szenario, das nach den neuesten Berechnungen im Jahr 2050 keine Ausnahme, sondern die Regel sein könnte, wenn keine Gegenmassnahmen getroffen werden.

ETH-Forscher haben einen neuen Wirkstoff gegen ein krankmachendes Darmbakterium entwickelt. Anders als herkömmliche Therapien zielt ihre Behandlung nicht auf das Bakterium selbst, sondern auf das Gift, das dieses absondert. Der grosse Vorteil: Der neue Ansatz kommt ohne Antibiotika aus.

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ERNÄHRUNG

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WERKSTOFFE Aerographit, das leichteste Material der Welt

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VERANSTALTUNGEN

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PANORAMA Plasma für den Kulturgüterschutz

Die Plasmatechnologie wird in Zukunft entscheidend dazu beitragen, unsere von Witterung und Zerfall bedrohten Kulturgüter zu erhalten. Neuartige Reinigungs- und Beschichtungstechniken ermöglichen es insbesondere, historische Silber- und Eisenobjekte sowie Papierdokumente umweltverträglich und nachhaltig zu konservieren und zu restaurieren..

Ein Netzwerk aus porösen Kohlenstoffröhrchen, die dreidimensional auf Nano- und Mikroebene ineinander verwachsen sind – das ist das leichteste Material der Welt. Mit 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter ist seine Dichte 75-mal geringer als diejenige von Styropor und hält trotzdem eine Menge aus.

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PRODUKTE

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CHEMIE

Silikon haftet auf Teflon

Polymerverknüpfung mit Nanokristallen Wenn Farbe über Silikon gestrichen wird, fällt die Farbe nach wenigen Stunden ab. Silikon ist ein typisches Antihaftmaterial mit sehr niedriger Oberflächenspannung, das man nicht nur als Fugenmaterial, sondern zum Beispiel auch als flexible Kuchenform kennt. Ähnlich beschaffen ist Teflon, bekannt als Bratpfannenbeschichtung. Beide Materialien sind synthetisch hergestellte Polymere. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat eine Technologie entwickelt, mit der die beiden Antihaftmaterialien erstmals aufeinander haften. Dabei verwenden sie Nanokristalle als Heftklammern.

Bild: Claudia Eulitz

Die neue Beschichtungstechnik verzichtet auf chemische Klebstoffe und kann laut Adelung in zahlreichen Alltags- und Hightechanwendungen nützlich sein. Darüber hinaus ist die Technik einfach anzuwenden und bedarf keiner teuren Spezialausstattung oder Spezialmaterialien.

Mikroskopische Heftklammern Bild 1. Teflon und Silikon: Ein Kieler Team lässt beide synthetischen Kunststoffe aneinander haften.

Tackern ist besser als kleben In Hightechbereichen wie der Medizintechnik gibt es eine grosse Nachfrage nach innovativen Methoden, insbesondere Silikon auf anderen Materialien zu befestigen, zum Beispiel bei modernen Atemmasken, Implantaten oder auch kleinen Sensoren. Für derartige medizinische Anwendungen wer-

Bild: Jan Strüben

Bilder 2, 4, 5: Xin Jin Xin Jin

«Wenn die Nanoheftklammern solch extreme Antihaftpolymere wie Teflon und Silikon miteinander verbinden können, dann halten mit ihnen auch alle möglichen anderen Kunststoffe aneinander», sagt Rainer Adelung. Adelung ist Leiter der Forschungsgruppe Funktionale Nanomaterialien am Institut für Materialwissenschaft der CAU und betreute das Heftklammerprojekt vonseiten der Materialwissenschaften.

Die Heftklammern sind Kristalle aus Zinkoxid mit einer Grösse von mehreren Nanobis wenigen Mikrometern, also wenige Tausendstel- bis Millionstelmillimeter klein. Sie haben die Form von Tetrapoden, vier starren Armen, die von einem zentralen Punkt ausgehen (Bild 2). Grössere Tetrapoden von mehreren Metern kennt man als Wellenbrecher zum Küstenschutz von Sylt oder Helgoland, wo sich die Arme ineinander verhaken und so den Kräften der Meeresströmungen trotzen. Beim Aneinanderfügen der Polymere werden zunächst Zinkoxidkristalle gleichmässig auf einer erwärmten Teflonschicht verteilt.

Darüber wird eine Silikonschicht aufgebracht. Um die beiden Materialien zu verbinden, werden sie für weniger als eine Stunde auf etwa einhundert Grad Celsius erwärmt. «Wir tackern sozusagen die beiden Antihaftmaterialien von innen aneinander», erklärt Xin Jin, die Erstautorin der Studie ist und derzeit in Kiel für ihre Doktorarbeit forscht. Ihr Kollege und Betreuer Yogendra Kumar Mishra erklärt das Haftprinzip: «Wenn man an einem herausstehenden Arm des Tetrapoden zieht, graben sich die übrigen drei Arme tiefer in das Material, so dass der Tetrapode umso fester im Material sitzt.»

Bild 2. Jeder der Zinkoxidkristalle hat die Form eines Tetrapoden mit vier Armen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme.

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Bild 3. Zwei Kunststoffschichten werden von den tetrapodenförmigen Nanoheftklammern von innen aneinander getackert.

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CHEMIE

Bild 4. Die Arme der Tetrapoden-Heftklammern verhaken sich ineinander und bilden so einen festen Verbund. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme.

den Verfahren benötigt, die gesundheitlich absolut unbedenklich, also biokompatibel sind. Viele Technologien nutzen chemische Reaktionen: Die Materialien werden aneinander geklebt. Doch die chemischen Prozesse können auch die Polymere verändern und sie im ungünstigsten Falle sogar giftig machen. Die Tetrapoden-Heftklammern hingegen sind eine rein mechanische Verknüpfungstechnik, sodass das Kieler Forschungsteam davon ausgeht, dass sie biokompatibel sind.

So fest wie Klebeband Mit den Nanoklammern hält die Teflon-Silikonverbindung einer Kraft von 200 Newton pro Meter stand. Das entspricht etwa dem Abziehen von herkömmlichem Klebeband von einer Glasoberfläche. «Diese Haftwirkung der Nanotetrapoden ist erstaunlich, wenn man bedenkt, dass – soweit wir in Erfahrung bringen konnten – bislang nie-

Bild 5. Die Tetrapoden sinken in den Kunststoff, doch die Arme ragen heraus und fungieren als Haken..

mand Teflon und Silikon überhaupt zum Haften aneinander bringen konnte», sagt Lars Heepe, Doktorand am Zoologischen Institut der CAU, der die Haftkraft präzise vermessen und die Heftklammern mikroskopisch analysiert hat.

Eine fächerübergreifende Gemeinschaftsarbeit Drei Forschungsgruppen verknüpften ihre Expertise in Materialwissenschaften, Chemie und Biomechanik in dieser Studie im Rahmen des SFB 677. Für Rainer Adelung sowie seine Kolleginnen und Kollegen geht es nun weiter: «Unsere Ergebnisse fliessen direkt in praktische Anwendungsprojekte und in die aktuelle Grundlagenforschung ein.» So arbeitet der lokale Wirtschaftspartner nanoproofed GmbH bereits an einem Farbprodukt zum Streichen auf Silikon. Im Sonderforschungsbereich sollen die Nanoklammern ferner Grundlage für die Entwick-

lung biomimetischer Klebstoffe sein, deren Haftwirkung sich mithilfe von Licht an und ausschalten lassen. Quelle: CAU Originalpublikation X. Jin et al., «Joining the Un-Joinable: Adhesion Between Low Surface Energy Polymers Using Tetrapodal ZnO Linkers», Advanced Materials, Article first published online: 24 Aug 2012, doi:10.1002/adma201201780 Kontakt Prof. Dr. Rainer Adelung Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Materialwissenschaft Kaiserstrasse 2 D-24143 Kiel (Gaarden) Telefon +49 (0)431 880 6116 ra@tf.uni-kiel.de www.tf.uni-kiel.de

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CHEMIE

Selbstreinigende Oberflächen

Sauber durch die Sonne

Wenn der Sommer vor der Tür steht, heisst es, Gartenstühle und Gartentische wieder auf Vordermann zu bringen. Standen diese jedoch eine längere Zeit im Schatten, sind sie oft von einem schmierigen Film aus Algen, Moosen, Bakterien und Pilzen überzogen, den man nur schwer oder gar nicht entfernen kann. Titandioxidmoleküle, die in den Kunststoff des Stuhls eingeschleust werden, sollen nun gemeinsam mit ein wenig Sonnenlicht Abhilfe schaffen: «Aktiviert» durch das UV-Licht in der Sonnenstrahlung setzen die Titandioxidmoleküle quasi als Katalysator einen elektrochemischen Prozess in Gang, der freie Radikale erzeugt. Diese und weitere aktive Moleküle wiederum machen Bakterien, Pilzen und Co. den Garaus. Sie zerstören zunächst die Zellwand und dringen anschliessend ins Zytoplasma – die Grundsubstanz der Zelle – ein, wo sie die DNA der Bakterien schädigen. Der Effekt: Schmutz aus organischen Substanzen bleibt nicht an der Oberfläche haften, sondern wird zersetzt.

Fotokatalytische Kunststoffe im Test Doch wie gut funktionieren diese fotokatalytischen Schichten? Welche organischen Bestandteile zersetzen sie, bei welchen bleiben sie machtlos? Dies haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart untersucht. «Wir haben beispielsweise fotokatalytisch ausgerüstete Armlehnen von Gartenstühlen im Freien getestet und sie mit solchen aus herkömmlichem Kunststoff verglichen», sagt Iris Trick, Gruppenleiterin am IGB. Dazu haben die Wissenschaftlerin und ihr Team die beschichteten und unbeschichteten Armlehnen mit einer Mixtur aus verschiedenen Bakterien, Moosen, Algen und Pilzen besprüht und sie zwei Jahre lang 6

dem Wetter ausgesetzt. Das Ergebnis: Während sich die schmutzige Schicht auf den normalen Armlehnen kaum entfernen liess, waren die Exemplare aus fotokatalytischen Kunststoffen auch nach zwei Jahren noch weitestgehend weiss und sauber. Zusätzlich untersuchten die Forscher ihre Spezialschichten – sei es von Armlehnen oder anderen Oberflächen – auch im Labor auf ihre Funktion: Dazu brachten die Experten bis zu 30 verschiedene Pilz-, Bakterienund Algenkulturen auf beschichtete und unbeschichtete Flächen auf und verglichen, wie sich diese Kulturen entwickeln. Zudem analysierten sie die Abbauprodukte, die bei der elektrochemischen Reaktion auf den selbstreinigenden Oberflächen entstehen.

Selbstreinigende Fassaden und Displays Die Möglichkeiten der Titandioxidmoleküle sind mit den Armlehnen jedoch keinesfalls ausgeschöpft: Beispielsweise arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart an Fassadenfarben für Häuser, die Titandioxidpartikel enthalten. Schmutz an der Wand wird durch die Fotokatalyse abgebaut – der Anstrich bleibt weitgehend sauber. Auch für Glasoberflächen haben Wissenschaftler eine selbstreinigende Schicht entwickelt: «Bringt man auf eine Glasoberfläche wie die eines Smartphones eine dünne Schicht aus Titandioxid auf und beleuchtet sie, verschwinden die Hautfette und Fingerabdrücke auf dem Display nach einiger Zeit von selber», sagt Michael Vergöhl, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig und Leiter der FraunhoferAllianz Photokatalyse. Nötig ist lediglich eine Stunde Sonnenlicht. Bei bisherigen fotoka-

Bild: Fraunhofer IGB

Ein bisschen Sonnenlicht – und Oberflächen reinigen sich von selbst. Was sich anhört wie Zauberei, erledigen Titandioxidmoleküle, die in die Flächen eingebaut sind: Aktiviert von UV-Licht setzen sie eine Reaktion in Gang, die Bakterien, Algen und Pilze zersetzt und beispielsweise die Armlehnen von Gartenstühlen sauber hält.

Bild 1. Die mit Titandioxidmolekülen ausgestattete Oberfläche (rechts) unterscheidet sich deutlich von der nicht ausgerüsteten Probe (links).

talytischen Oberflächen hätte man das Smartphone drei Tage lang in die Sonne legen müssen. In einem nächsten Schritt müssen neue Materialien entwickelt werden, die auch unter künstlicher Beleuchtung aktiv werden. Um ihr Know-how zu bündeln, haben sich zehn Fraunhofer-Institute zur Allianz Fotokatalyse zusammengeschlossen. Sie deckt den gesamten Bereich der fotokatalytischen Oberflächenentwicklung ab und vereint damit eine grosse Kompetenz. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Kontakt Dr. rer. nat. Iris Trick Fraunhofer-Institut für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstrasse 12 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711 970 4217 iris.trick@igb.fraunhofer.de 9 /2012


CHEMIE

Homogene Katalyse

Kohlendioxid als Edukt für Methanolsynthese? Fossile Rohstoffe gehen zur Neige und ihre Verwendung setzt das Treibhausgas Kohlendioxid frei. Beide Probleme liessen sich deutlich abschwächen, wenn man CO2 als Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Kraftstoffen und Chemierohstoffen nutzen könnte. Deutsche Forscher stellen erstmals die Möglichkeit vor, die mehrstufige Umwandlung von CO2 zu Methanol mit einem homogenen Übergangsmetall-Katalysator in Lösung durchzuführen.

Methanol und seine Folgeprodukte können nicht nur in klassischen Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen genutzt werden, sondern stellen auch vielseitige Rohstoffe für die chemische Industrie dar. Das bisher etablierte grosstechnische Verfahren zur Herstellung von Methanol basiert auf Synthesegas, einer aus fossilen Ressourcen gewonnenen Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Verfahren nutzt dabei unter hohem Druck und hoher Temperatur einen heterogenen Katalysator, welcher als Feststoff in einer anderen Phase vorliegt als die gasförmigen oder flüssigen Edukte und Produkte: CO + 2 H2

→ CH3OH

Inzwischen gibt es eine Reihe von neuartigen Ansätzen, Kohlendioxid als Ausgangsstoff für die Herstellung von Methanol zu nutzen. Die grosse Herausforderung für die Katalyseforschung besteht darin, nicht nur das stabile CO2-Molekül zu aktivieren, sondern auch die komplexe mehrstufige Umsetzung zu Methanol zu katalysieren. Massgeschneiderte Katalysatoren sind der Schlüssel, um die Aktivierung dieses wenig reaktiven C1-Bausteins zu ermöglichen. Wissenschaftler am Institut für Technische und Makromolekulare Chemie der RWTH Aachen verfolgen einen neuen Ansatz, um Methanol durch Reduktion von CO2 mit

Bild: Kurt Hermann nach [1]

Renate Hoer

Bild 1. Ein neuer Katalysator, ein Rutheniumphosphankomplex (siehe Schema; HNTf 2 = Bis(trifluormethan)sulfonimid), ermöglicht die Methanolsynthese aus Kohlendioxid und Wasserstoff unter vergleichsweise milden Bedingungen.

elementarem Wasserstoff zu gewinnen. Während die meisten bisherigen Verfahren heterogen-katalytisch laufen, handelt es sich hier um ein homogen-katalytisches Verfahren: Katalysator und Edukte liegen in Lösung, also in derselben Phase vor. Homogene Übergangsmetall-Katalysatoren kommen häufig mit milderen Reaktionsbedingungen aus und die gezielte Entwicklung des Katalysators ermöglicht oft höhere Selektivitäten. Bislang war jedoch kein homogener Metallkomplex bekannt, der die über mehrere Zwischenstufen verlaufende Bildung von Methanol aus Kohlendioxid und Wasserstoff katalysieren konnte. Das Team um Jürgen Klankermayer und Walter Leitner hat für diese komplexe Umsetzung einen massgeschneiderten homogenen Katalysator, einen speziellen Ruthenium-Phosphin-Komplex, entwickelt. Der in einem Lösungsmittel, im einfachsten Fall Methanol selbst, gelöste Katalysator wird in einem Autoklaven unter Druck mit CO2

und Wasserstoff versetzt. Daraufhin verknüpft er schrittweise ein Molekül CO2 mit drei Molekülen Wasserstoff unter Bildung von Methanol und Wasser (Bild 1). «Das ist das erste Beispiel einer Hydrierung von CO2 zu Methanol unter Verwendung eines molekular definierten Katalysators unter relativ milden Reaktionsbedingungen», erläutern Leitner und Klankermayer. «Nun erforschen wir, wie die Reaktion im Detail abläuft, um den Katalysator weiterzuentwickeln.» Quelle: Angewandte Chemie Originalpublikation [1] Sebastian Wesselbaum, Thorsten vom Stein, Jürgen Klankermayer, Walter Leitner, «Hydrogenation of Carbon Dioxide to Methanol by Using a Homogeneous Ruthenium-Phosphine Catalyst», Angewandte Chemie 24 [30], 7617–7620 (2012).

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CHEMIE

Reine Ameisensäure aus CO2

Doppelrolle von Kohlendioxid

Bild: Kurt Hermann nach [1]

Um den Verbrauch fossiler Rohstoffe zu reduzieren und gleichzeitig die CO2-Bilanz von Kraftstoffen und chemischen Produkten zu verbessern könnte die Verwendung von CO2 als Kohlenstoffquelle eine attraktive Option sein. Deutsche Wissenschaftler stellen eine neue Methode vor, mit der CO2 katalytisch zu Ameisensäure hydriert wird. Dabei ist Kohlendioxid nicht nur Ausgangsstoff, sondern dient, in überkritischem Zustand, gleichzeitig als Lösungsmittel für die Abtrennung des Produkts. Mit diesem integrierten Verfahren lässt sich erstmals in einem einzigen Prozessschritt freie Ameisensäure direkt als Produkt gewinnen.

Bild 1. Doppelrolle für CO2: Reine Ameisensäure lässt sich aus CO2 und Wasserstoff kontinuierlich in einem integrierten Verfahren erhalten. Dabei werden ein immobilisierter metallorganischer Rutheniumkomplex und eine nichtflüchtige Base in einer ionischen Flüssigkeit (IL) mit überkritischem CO2 (scCO2) kombiniert, das gleichzeitig als Reaktant und Extraktionsmittel fungiert.

Die Hydrierung von CO zu Ameisensäure wird intensiv erforscht, denn sie eröffnet einen direkten Zugang zu chemischen Produkten auf der Basis von Abfallstoffen aus der energetischen Nutzung fossiler Brennstoffe. CO2 + H2

← →

HCO2H

Ameisensäure ist ein wichtiges Produkt der chemischen Industrie mit vielfältigen Anwendungen zum Beispiel in der Landwirtschaft, der Lebensmitteltechnologie und der Lederwarenindustrie. Zudem wird sie als möglicher Wasserstoffspeicher in Erwägung gezogen. So könnten mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge Ameisensäure tanken, aus der dann Wasserstoff katalytisch freigesetzt würde. Bereits seit Mitte der 1970er-Jahre wird an homogenen Katalysatoren für die Herstellung von Ameisensäure aus CO2 geforscht. Die Tücke liegt darin, dass es sich um eine 8

Gleichgewichtsreaktion handelt, deren Gleichgewicht deutlich auf der Seite der Edukte liegt. Um die ständig ablaufende Rückreaktion zu unterdrücken, muss die Ameisensäure abgefangen werden – in Form von Salzen, Addukten oder Derivaten – um sie aus der Gleichgewichtsbilanz zu entfernen. Damit schliesslich die gewünschte freie Ameisensäure erhalten werden kann, sind zusätzliche Verfahrensschritte nötig, um die Addukte vom Katalysator zu trennen und anschliessend die Ameisensäure wieder freizusetzen und zu isolieren. Das Team um Walter Leitner von der RWTH Aachen hat nun ein neues Konzept entwickelt, mit dem reine Ameisensäure in einem kontinuierlichen Verfahren produziert werden kann: Reaktion und Abtrennung laufen dabei integriert in einer einzigen Prozesseinheit ab. Der Trick liegt in einem zweiphasigen Reaktionssystem mit überkriti-

schem CO2 als mobiler Phase und einem flüssigen Salz – einer ionischen Flüssigkeit – als stationärer Phase: Die ionische Flüssigkeit löst den Katalysator und die Base zum Stabilisieren der Ameisensäure und hält beide im Reaktorraum zurück. Das CO2 strömt bei Drücken und Temperaturen oberhalb der kritischen Daten (74 bar, 31 °C) durch den Reaktor und löst die gebildete Ameisensäure selektiv aus der Mischung heraus. Die Doppelrolle von CO2 sowohl als Reaktant als auch als extraktive Phase hat entscheidende Vorteile: Das Produkt wird kontinuierlich extrahiert und aus dem Reaktor geschleust, somit kann sich das Gleichgewicht immer wieder neu einstellen. Ausserhalb des Reaktors lässt sich die freie Ameisensäure durch Druckabsenkung oder Auswaschen direkt aus dem CO2-Strom in reiner Form gewinnen. Ionische Flüssigkeiten lösen sich nicht in überkritischem CO2, ebensowenig wie der Katalysator und die Base, sodass sie das Produkt nicht verunreinigen. Das Verfahren kann so kontinuierlich laufen. In Laborversuchen wurde ein stabiler Betrieb über mehr als 200 Stunden demonstriert. Quelle: Angewandte Chemie

Originalpublikation [1] Sebastian Wesselbaum, Ulrich Hintermair, and Walter Leitner, «Continuous-Flow Hydrogenation of Carbon Dioxide to Pure Formic Acid Using an Integrated scCO2 Process with Immobilized Catalyst and Base», Angewandte Chemie 124 [34], 8713–8716 (2012). 9 /2012


CHEMIE

Elektrische Ladung von Nanopartikeln

Ein Riesenschritt in der Miniwelt Ein Millionstel Millimeter klein sind Nanoteilchen, für das menschliche Auge lange nicht mehr sichtbar. Es sei denn, sie liegen unter dem Mikroskop von Madhavi Krishnan, Biophysikerin an der Universität Zürich. Die Wissenschaftlerin hat eine neue Methode entwickelt, mit der sie nicht nur messen kann, wie gross die Partikel sind, sondern welche elektrostatische Ladung sie haben. Bisher war es nicht möglich, die Ladung der Teilchen direkt zu bestimmen. Diese bislang weltweit einmalige Methode ist bei der Herstellung von Arzneien genauso relevant wie für die Grundlagenforschung.

Bild: UZH

hen Ladung nur kleine. So wie einen leichter Ball weit fliegt, ein schwerer hingegen nicht. Ähnlich bestimmte US-Physiker Robert A. Millikan vor 100 Jahren in seinem Öltropfexperiment, wie schnell sich elektrisch geladene Öltropfen bewegen. 1923 erhielt er den Nobelpreis für Physik. «Doch er untersuchte die Tropfen in einem Vakuum», erläutert die Biophysikerin. «Wir dagegen untersuchen Nanoteilchen in einer Lösung, die selbst die Eigenschaften der Par tikel beeinflusst.» Bild 1. Querschnitt durch zwei Glasplatten in Chipgrösse, in dem ein Nanopartikelchen in einem Energieloch, in der Fachsprache Potentialtopf, gefangen ist. Die farbigen Felder zeigen die unterschiedlichen Ladungen im elektrostatischen Feld: Der rote Bereich sehr niedrig, der blaue Rand hingegen stark geladen.

Um die einzelnen Teilchen einer Lösung beobachten zu können, locken Madhavi Krishnan und ihre Mitarbeiter jedes von ihnen in eine «elektrostatische Falle». Das funktioniert so: Die Forscher erzeugen zwischen zwei winzigen Glasplatten, die Chipgrösse haben, tausende von runden Energielöchern. Der Trick ist, dass diese Löcher nur schwach elektrostatisch geladen sind. Geben die Wissenschaftler nun einen Tropfen Lösung auf die Plättchen, fällt jedes Teilchen in ein Energieloch und bleibt dort gefangen. Doch es ruht nicht still in seiner Falle, sondern wird ständig von den Molekülen in der Lösung angestupst. Dadurch bewegt es sich kreisförmig. «Diese Bewegungen messen wir und können daran die Ladung jedes einzelnen Teilchens bestimmen», erklärt Krishnan. Denn einfach gesagt, ziehen die Partikel mit einer nur geringen Ladung in ihren Fallen grosse Kreise, diejenigen mit einer ho9 /2012

Elektrostatische Ladung von Nano-Arzneipaketen Für alle Lösungen, die in der Industrie hergestellt werden, ist die elektrische Ladung der enthaltenen Nanopartikel ebenfalls entscheidend, denn erst sie ermöglicht, dass eine flüssige Lösung so bleibt wie sie ist und nicht verklumpt. «Mit unserer neuen Methode erhalten wir ein Bild der ganzen Suspension mit allen darin enthaltenen Teilchen», betont Krishnan. Eine Suspension ist eine Flüssigkeit, in der sich kleinste Partikel oder Tröpfchen fein verteilen, wie zum Beispiel in Milch, Blut, vielen Farben, Kosmetika, Impfstoffen und unzählige Arzneien. «Die Ladung der Teilchen spielt darin eine grosse Rolle», sagt die Zürcher Wissenschaftlerin. Ein Beispiel ist die Herstellung von Medikamenten, die über «Drug-Delivery-Systeme» über einen längeren Zeitraum hinweg gezielt und genau dosiert verabreicht werden sollen. Dabei fungieren Nanopartikel als «Pakete», die die Arzneien dorthin bringen, wo sie wirken sollen. Entscheidend aber, dass sie Gewebe und Zellmembranen im Körper ungehindert passieren und damit

überhaupt erst wirken können, ist sehr oft ihre elektrostatische Ladung. «Deswegen ist es so wichtig, ihre Ladung messen zu können. Bislang wurden meist nur ungenaue Resultate erzeugt,» so die Forscherin.

Messungen in Echtzeit «Mit der neuen Methode können wir sogar in Echtzeit messen, wenn ein einzelnes Teilchen seine Ladung ändert», ergänzt Krishnan. «Das ist besonders für die Grundlagenforschung spannend und noch nie zuvor möglich gewesen.» Denn Ladungsänderungen spielen bei allen Reaktionen im Körper eine Rolle, sei es von Proteinen, grossen Molekülen wie die DNA-Doppelhelix, in der die Erbanlagen codiert sind, oder den Zellorganellen. «Wir untersuchen, wie die Materie im Millionstel Millimeterbereich funktioniert.» Quelle: Universität Zürich Originalpublikation Nassiredin Mojarad & Madhavi Krishnan, «Measuring the size and charge of single nanoscale objects in solution using an electrostatic fluidic trap», Nature Nanotechnology 7, 448–452 (2012).

Kontakt Prof. Dr. Madhavi Krishnan Universität Zürich Physikalisch-chemisches Institut Winterthurerstrasse 190 CH-8057 Zürich Telefon +41 (0)44 635 44 65 madhavi.krishnan@uzh.ch www.pci.uzh.ch 9


CHEMIE

In Stinkspat ist elementares Fluor eingeschlossen

Direktnachweis des Elements Fluor in der Natur Fluor ist das reaktivste aller chemischen Elemente. Es kommt daher in der Natur nicht elementar vor sondern nur gebunden, beispielsweise als Fluorit – so war bislang die Lehrmeinung. Ein besonderer Fluorit, der «Stinkspat» jedoch sorgt seit fast 200 Jahren für Diskussionsstoff. Das Mineral verströmt beim Zerkleinern einen intensiven Geruch. Nun konnten Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-MaximiliansUniversität München (LMU) im Stinkspat erstmals direkt natürliches elementares Fluor nachweisen.

Uneinheitliche Schlussfolgerungen aus Riechproben

Bild: Rupert Hochleitner

Bild 1. Stinkspat

Fluor ist das reaktivste aller chemischen Elemente und nur mit grösster Vorsicht zu handhaben. Es ist so aggressiv, dass selbst Laborglasgeräte ihm nicht widerstehen können und sogar Ziegelsteine mit Fluorgas brennen. Dabei wird elementares Fluor industriell breit angewendet, vom Korrosionsschutz über Diffusionsbarrieren in Kraftstofftanks bis hin zur Erzeugung von Schwefelhexafluorid, das beispielsweise als Isolator in Hochspannungsschaltern dient. Aufgrund seiner extremen Eigenschaften waren Chemiker bislang überzeugt davon, dass Fluor in der Natur nicht elementar, sondern nur als Fluoridion vorkommen kann, wie zum Beispiel in Mineralien wie Fluorit (CaF2), auch als Flussspat bezeichnet. Eine besondere Varietät des Fluorits, der beispielsweise in der Grube Maria in Wölsendorf in der Oberpfalz vorkommende sogenannte «Stinkspat», sorgt seit fast 200 Jahren für Streit in der Fachwelt. Beim Zerkleinern verströmt er einen stechend unangenehmen Geruch. 10

Eine Reihe bedeutender Chemiker, darunter auch Friedrich Wöhler (1800–1882) und Justus von Liebig (1803–1873), diskutierten verschiedene Substanzen als Ursachen für den Geruch. Aus einfachen Riechproben, chemischen Nachweisen bis hin zu aufwendigen massenspektrometrischen Untersuchungen zogen Wissenschaftler im Laufe der Jahre die unterschiedlichsten Schlussfolgerungen. So wurden neben elementarem Fluor auch Iod, Ozon, Phosphor-, Arsen-, Schwefel- und Selenverbindungen, Chlor, hypochlorige Säure und fluorierte Kohlenwasserstoffe für den Geruch verantwortlich gemacht. Ein direkter Nachweis, dass Fluor im Stinkspat eingeschlossen ist und nicht etwa erst beim Zerkleinern entsteht, fehlte allerdings bislang.

Nachweis mithilfe der 19F-Kernmagnetresonanzspektroskopie Nun gelang es einem Wissenschaftlerteam um Florian Kraus am Department Chemie der Technischen Universität München, und um Jörn Schmedt auf der Günne am Department Chemie der Ludwig-MaximiliansUniversität München, erstmals elementares Fluor im Stinkspat direkt und zweifelsfrei nachzuweisen. Mithilfe der 19F-Kernmagnetresonanzspektroskopie konnten sie das Fluor «in-situ», also zerstörungsfrei in seiner natürlichen Umgebung identifizieren und so der langen Diskussion um die Ursache des Geruchs im Stinkspat ein Ende setzen. «Es ist nicht verwunderlich, dass Chemiker so lange an der Existenz von elementarem Fluor im Stinkspat zweifelten», erklären die Forscher. «Denn dass elementares Fluor

und Calcium, die normalerweise sofort miteinander reagieren, hier nebeneinander vorliegen, ist tatsächlich kaum zu glauben.» Im Fall des Stinkspats liegen jedoch besondere Verhältnisse vor: Das elementare Fluor entsteht durch feine Uraneinschlüsse im Mineral, die konstant ionisierende Strahlung abgeben und so den Fluorit in Calcium und elementares Fluor aufspalten. Das Fluor liegt dann, durch nichtreaktiven Fluorit vom Calcium getrennt, in kleinen Einschlüssen vor und bleibt so in elementarer Form erhalten. Durch die ionisierende Strahlung kommt es zur Ausbildung von Calciumclustern und damit zur dunklen Farbe des Stinkspats. Quelle: TU München Originalpublikation Jörn Schmedt auf der Günne, Martin Mangstl, Florian Kraus, «Elementares Fluor F2 in der Natur – In-situ-Nachweis und Quantifizierung durch NMR-Spektroskopie», Angew. Chem., 124 [31], 7968–7971 (2012).

Kontakt Priv.-Doz. Dr. Florian Kraus Technische Universität München Department Chemie, AG Fluorchemie Lichtenbergstrasse 4 D-85747 Garching Telefon +49 (0)89 289 13109 fluorchemie@tum.de 9 /2012


CHEMIE

Energieeffizientere Trinkwassergewinnung

Meerwasserentsalzung durch Batterien Schon heute ist Trinkwasser mancherorts Mangelware. Schätzungen zufolge werden Menschen im Jahr 2025 rund 90 Prozent des verfügbaren Trinkwassers verbrauchen – es müssen also neue Quellen aufgetan werden. Meerwasser steht in riesigen Mengen zur Verfügung. Seine Aufbereitung verschlingt allerdings sehr viel Energie. Wesentlich mehr als theoretisch nötig wäre. RUB-Chemiker entwickeln ein neues Verfahren, das mehr Energieeffizienz verspricht.

Energie wird vor allem für Pumpen benötigt. Sie pressen das Meerwasser mit hohem Druck durch eine semipermeable Membran. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Ionen und Moleküle durch. Salz bleibt dabei aussen vor.

Batteriezellen statt Membranen La Mantia und seine Kollegen haben ein neues Verfahren zur Meerwasserentsalzung getestet, das ohne Membranen und mögli-

cherweise auch ohne vorherige Reinigung des Wassers auskommt. Sie arbeiten mit dem Batterieprinzip. Das Salzwasser wird in einer Art Batteriezelle in Kontakt mit zwei Elektroden gebracht (Bild 1). Die eine enthält Silbermikropartikel, die andere NatriumMangan-Oxid-Nanostäbchen. Beim Anlegen einer Spannung zieht die Silberelektrode Chloridionen an und «fängt» sie aus dem Wasser heraus, indem sie sie chemisch bindet, die andere Elektrode bindet positiv geladene Natriumionen (Bild 2). Das Salzwasser wird dadurch ärmer an Natriumchlorid.

«Um einen Kubikmeter Meerwasser zu entsalzen, braucht man in jedem Fall mindestens 0,6 bis 0,7 Kilowattstunden Energie», erklärt Fabio La Mantia, Leiter der Nachwuchsgruppe «Semiconductor and Energy Conversion» am Zentrum für Elektrochemie der RUB. «Aktuell werden aber mit dem gängigen Verfahren der Umkehrosmose rund vier Kilowattstunden verbraucht.» Die Hälfte davon fliesst schon vor der eigentlichen Entsalzung in die Reinigung des Meerwassers – Biomasse und Bakterien müssen entfernt werden, weil sie sonst die Anlagen beschädigen können. Die andere Hälfte der 9 /2012

Bilder: RUB

Bild 1. Mit einer Spritze befüllt Fabio La Mantia die Entsalzungszelle mit 0,2 Milliliter Salzwasser. Die Spitze der Kanüle ist mit Teflon isoliert, damit die beiden Elektroden der Zelle durch den Kontakt zur Kanüle nicht kurzgeschlossen werden können.

Bild 2. Die Batteriezelle besteht aus einer Elektrode aus Natrium-Manganoxid-Nanostäbchen (NMO) und einer Elektrode aus Silber. Beim Anlegen einer Spannung zieht die NMO-Elektrode Natriumionen die Silberelektrode Chloridionen an. Danach wird das salzärmere Wasser gegen frisches Meerwasser getauscht, die Spannung wird umgekehrt. Die Elektroden geben Natrium- und Chloridionen wieder ab. Das mit dem Salz angereicherte Wasser wird abgelassen, die Zelle ist für den nächsten Entsalzungsdurchgang bereit.

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umionen wieder an das Wasser ab. Bei diesem Vorgang wird sogar in geringem Masse Energie frei. Das Meerwasser, nun mit höherem Salzgehalt, wird abgelassen, die Zelle ist für einen neuen Durchgang zur Entsalzung bereit. Auf diese Weise konnten die Forscher im Labormassstab erste Erfolge verzeichnen: Ihre Batteriezelle, die 0,2 Milliliter Salzwasser fasst und über zwei Quadratzentimeter Elektrodenfläche verfügt (Bild 3), konnte binnen einer Stunde den Salzgehalt des Wassers um etwa die Hälfte senken (Tabelle 1). «Hochgerechnet heisst das, dass wir einen Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde in diesem Mass entsalzen können», rechnet La Mantia vor.

Bild 3. Die Batteriezelle ist 3,5×2×2 Zentimeter klein. Die Fläche der Elektroden beträgt je 2 Quadratzentimeter. Die Elektroden sind 300 Mikrometer dünn. 0,2 Milliliter Meerwasser werden darin entsalzt.

Nach diesem Verfahrensschritt wird das nun salzärmere Wasser aus der Zelle entnommen und diese wieder mit Meerwasser gefüllt. Bei umgekehrter Spannung geben die Elektroden die Chlorid- und die Natri-

Trinkbar ist das Wasser danach allerdings noch nicht. Um aus Meerwasser Trinkwasser zu machen, müsste man 98 Prozent des enthaltenen Salzes entfernen. Das ginge mit der Batteriezelle zwar in mehreren Schritten – kostet dann aber wieder mehr Zeit und Energie. La Mantia setzt daher auf die Weiterentwicklung des Verfahrens, vor allem auf neue Materialien für die Elektroden.

Neue Materialien für die Elektroden Zurzeit bringen die Forscher Silbermikropartikel mit zwei Mikrometern Durchmesser bzw. Natrium-Manganoxid-Nanostäbchen

Ion

Na +

K+

Mg 2+

Ca2+

Cl–

SO42–

Meerwasser (mg/l)

11 250

450

1400

450

18 500

2750

Entzug bei 25 % der maximalen Spannung (mg/l)

9840 = 47 %

430 <1%

1130 = 9%

280 = 3%

14 470 = 87 %

2750 (Kontrolle)

Entzug bei 50 % der maximalen Spannung (mg/l)

7860 = 57 %

390 <1%

860 = 9%

180 = 3%

11 430 = 76 %

2750 (Kontrolle)

Tabelle 1. Bei 25 Prozent der maximalen Stromspannung entzieht die Batterie dem Wasser 87 Prozent der theoretisch dabei möglichen Menge an Chloridionen (theoretisch mögliche Menge nicht in der Tabelle angegeben), bei 50 Prozent der maximalen Spannung 76 Prozent – das entspricht einer Gesamteffizienz des Verfahrens von rund 50 bzw. 40 Prozent. Höhere Spannungen kann man nicht anlegen, weil dann die Elektrolyse einsetzt. Neben Natrium- und Chloridionen werden dem Wasser auch andere Ionen entzogen, allerdings in wesentlich geringerem Masse.

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mithilfe eines Bindemittels auf ein Kohlenstofffasergewebe auf (Bild 4). «Wir nutzen die Partikel und Stäbchen anstelle glatter Oberflächen, um die Oberfläche der Elektroden zu vergrössern», erklärt der Chemiker. «Dadurch werden die Ionen aus dem Wasser schneller gebunden.» Allzu gross darf die Oberfläche allerdings auch nicht werden: Dann werden zwar die Ionen schneller «eingefangen», aber es setzt auch schneller eine Elektrolyse ein, das heisst, das Wasser wird an den Elektroden in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, was natürlich bei der Entsalzung nicht wünschenswert ist. «Silber ist aber trotzdem sehr langsam beim Ionenfang», sagt La Mantia. Die andere Elektrode ist zwar schneller als Silber, doch auch hier gibt es noch Spielraum. Die Forscher machen sich also auf die Suche nach neuen Materialien, die effizienter Ionen anziehen, dennoch nicht allzu früh zur Elektrolyse führen und natürlich nicht gesundheitsschädlich sein dürfen. Die Materialien sollen ausserdem möglichst selektiv für Natriumund Chloridionen sein und dem Wasser nicht noch viele weitere Stoffe entziehen, die im Trinkwasser nützlich sind, wie etwa Magnesium und Calcium. Bei der Umkehrosmose, die das Wasser von diesen wichtigen Mineralstoffen ebenso wie vom Salz befreit, müssen sie dem Trink wasser später wieder zugesetzt werden. Mit den richtigen Elektrodenmaterialien könnte man sich diesen Schritt ersparen.

Umkehrosmose ist (noch) effizienter Passende Materialien sucht die Arbeitsgruppe im Umfeld der Stoffe, die in modernen Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. «Verglichen mit der Umkehrosmose, die es schon seit rund 40 Jahren gibt, ist unser Verfahren noch sehr neu. Die Umkehrosmose ist wissenschaftlich ausgereizt, da wird es wahrscheinlich keine grossen Verbesserungen mehr geben. Unser Verfahren wird noch sehr viel weiter entwickelt werden, sodass wir auf jeden Fall noch grosse Verbesserungen erreichen können», ist er zuversichtlich. Auch die Energieeffizienz will der Forscher so steigern, sie ist mit rund 9 /2012


CHEMIE

wundene Röhre vorstellen, durch die das Meerwasser strömt und dabei entsalzt wird», so die Vision von La Mantia. Quelle: «rubin», Frühjahr 2012, Seiten 54–57

Kontakt Dr. Fabio La Mantia Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Chemie und Biochemie Universitätsstrasse 150 NC 4/73 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 29432 fabio.lamantia@rub.de www.ruhr-uni-bochum.de

Bild 4. Natrium-Manganoxid-Nanostäbchen unter dem Elektronenmikroskop. Um sie herzustellen, lösen die Forscher Natrium und Mangan in Wasser und saugen die Lösung mit Watte auf. Diese wird getrocknet und verbrannt. Zurück bleiben Natrium-Mangan-OxidNanostäbchen als Pulver. Diese werden mit einem Bindemittel auf ein Kohlenstofffasergewebe aufgebracht.

33 Prozent zurzeit noch schlechter als die der Umkehrosmose (rund 50 Prozent). Würde es gelingen, das Meerwasser um 80 Prozent seines Salzgehalts zu «erleichtern», könnte man auch an eine Kombination mit der Umkehrosmose denken. Sie würde – mit wesentlich weniger Energieaufwand als heute – dem Wasser den letzten Rest des unerwünschten Salzes entziehen. Die Forscher hoffen, dass für das Batterieverfahren keine vorherige Reinigung des Meerwassers von Biomasse mehr notwendig ist. Das würde grosse Energieeinsparungen bedeuten. Genau wissen sie das aber noch nicht, da im Labor bislang nur kurze Versuche, aber keine Langzeittests durchgeführt wurden. Auf jeden Fall wäre das Verfahren, für das sie im Labor kleinste Mengen Wasser per Hand mit einer Spritze in die Batteriezelle füllen und es ebenso wieder entnehmen, auch automatisierbar. «Man könnte sich das Ganze als lange, ge9 /2012

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BIOWISSENSCHAFTEN

Entstehung von Proteinen mit Eisen-Schwefel-Zentren

Wie sich Zellen gegen Genschäden schützen

Bild: Philipps-Universität/AG Lill

Ein Adapter zwischen Werkbank und Endmontage: Das Protein MMS19 trägt dazu bei, Eisen-Schwefel-Zentren in Proteine einzubauen, die für die Vervielfältigung und Reparatur der Erbsubstanz DNA erforderlich sind. Das berichten Marburger und US-amerikanische Wissenschaftler. Die Funktion von MMS19 kommt bei Einzellern wie der Hefe ebenso vor wie bei komplexeren Organismen, auch beim Menschen.

Bild 1. Eine Modelldarstellung zeigt, wie kompliziert die Entstehung von Eisen-Schwefel-haltigen Proteinen vor sich geht.

Enzyme mit Eisen-Schwefel (FeS)-Clustern sind unersetzlich für zahlreiche essenzielle Lebensprozesse, insbesondere bei der Vervielfältigung der Erbsubstanz DNA sowie deren Reparatur nach Schädigungen, zum Beispiel durch UV-Strahlung oder mutagene Chemikalien. «Wie das MMS19-Protein hierzu beiträgt, war seit seiner Entdeckung vor 30 Jahren unbekannt», sagt der Zellbiologe Roland Lill von der Philipps-Universität in Marburg. Die Entstehung von FeS-Proteinen ist ein mehrstufiger Prozess, der das Zusammenwirken einer Reihe von spezialisierten Enzymen erfordert. Lill und seine Kollegen wiesen nach, dass MMS19 sowohl mit Bestandteilen dieser Maschinerie interagiert, als auch mit den entstehenden FeS-haltigen Proteinen. «Unsere Daten lassen vermuten, dass MMS19 als Adapter die Übertragung der FeS-Cluster auf die verschiedenen Zielmoleküle erleichtert», fassen die Forscher ihre Ergebnisse zusammen. «Viele früher gemachte Beobachtungen zur Beteiligung des MMS19 an der Synthese und Reparatur der DNA und an der Transkription können mit dieser nun geklärten Funktion bei der 14

FeS-Proteinherstellung leicht verstanden werden.»

Biogenese von FeS-Proteinen Die molekularen Interaktionen von MMS19 lassen sich sowohl in Kulturen menschlicher Zellen zeigen, als auch bei Hefepilzen, die Energie auch ohne die Veratmung von Sauerstoff gewinnen können. Die Biogenese von FeS-Proteinen beginnt jeweils in den Mitochondrien, die vor allem als diejenigen Zellbestandteile bekannt sind, in denen die Zellatmung stattfindet. «Die entscheidende Funktion der Mitochondrien bei der Entstehung von FeS-Proteinen und somit für die Aufrechterhaltung der DNA im Zellkern ist wohl auch der Grund dafür, dass diese Organellen selbst in solchen Organismen erhalten sind, die ohne Sauerstoff auskommen», spekulieren die Wissenschaftler. Die Erkenntnisse sind Lill zufolge für zahlreiche Erkrankungen von Bedeutung, die mit DNA-Schäden und DNA-Reparatur einhergehen. Dazu gehören einige Formen des Krebses, insbesondere Hautkrebsarten, aber auch das Altern. So lasse sich nun

erstmals erklären, warum manche mitochondriale Erkrankungen zahlreiche Schädigungen der DNA des Zellkerns nach sich ziehen, etwa die «Friedreich-Ataxie», eine neurodegenerative Störung. «Die zentrale Rolle der Mitochondrien bei der Synthese von FeS-Proteinen ist der Schlüssel hierzu», erklärt Lill. Quelle: Universität Marburg Originalpublikation Oliver Stehling et al., «MMS19 Assembles Iron-Sulfur Proteins Required for DNA Metabolism and Genomic Integrity», Science 337 [6091, 160-161 (2012)

Kontakt Prof. Dr. Roland Lill Philipps-Universität Marburg Institut für Zytobiologie Robert-Koch-Strasse 6 D-35032 Marburg Telefon +49 (0)6421 28 66899 Sfb593@staff.uni-marburg.de www.uni-marburg.de/sfb593 9 /2012


BIOWISSENSCHAFTEN

Wirkstoffe die bakterielle RNA-Polymerase lahmlegen

Naturstoffe blockieren Bakterienwachstum Ein internationales Forscherteam hat untersucht, wie eine Gruppe von Naturstoffen die Vermehrung von Bakterien stoppt. Die am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) entdeckten Substanzen blockieren in der Bakterienzelle das Enzym RNA-Polymerase, das für das Ablesen der Erbsubstanz zuständig ist. Mit hochempfindlichen Analysemethoden konnten die Wissenschaftler zeigen: Die Wirkstoffe greifen dabei an einer anderen Stelle des Enzmys an als bisher beschriebene Antibiotika. Sie könnten deshalb für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Krankheitserreger von Interesse sein.

Bild: HZI

Bisher unbekannter Wirkungsmechanismus

Bild 1. Zellen von Sorangium cellulosum in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme. S. cellulosum gehört zur Gruppe der Myxobakterien und produziert unter anderem den Naturstoff Ripostatin.

Die Substanzen Myxopyronin, Corallopyronin und Ripostatin stammen aus Myxobakterien. Diese im Erdboden lebenden Mikroorganismen stellen eine Reihe von chemischen Verbindungen her, die eine biologische Wirkung zeigen. Manche wirken gegen Tumorzellen, wie etwa das ebenfalls am HZI entdeckte Epothilon, das bereits zu einem Krebsmedikament entwickelt wurde. Einige – darunter die genannten Stoffe Myxopyronin, Corallopyronin und Ripostatin – können andere Bakterien abtöten. Bereits vor einigen Jahren erkannten HZIWissenschaftler, dass diese Wirkstoffe die bakterielle RNA-Polymerase lahmlegen. Wie dies im Detail funktioniert, zeigten sie gemeinsam mit Kollegen von der Rutgers University im US-Bundesstaat New Jersey. Das Enzym ähnelt in seiner Form einer Krebsschere. Um die DNA des Bakteriums binden zu können, muss die «Schere» geöffnet sein, für den Vorgang des Ablesens selbst schliesst sie sich wieder. Myxopyro9 /2012

Mithilfe der hochempfindlichen Markierungsmethode smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) gelang es den amerikanischen Forschungspartnern um Richard Ebright und Anirban Chakraborty jetzt, den Abstand zwischen den beiden «Scherenspitzen» des Moleküls während verschiedener Phasen des AbleseProzesses zu bestimmen und den Wirkmechanismus der Substanzen zu bestätigen. «Das Bemerkenswerte an unseren Substanzen ist, dass sich ihr Wirkungsmechanismus von allen anderen bisher bekannten Antibiotika unterscheidet», erklärt der HZIWissenschaftler Rolf Jansen aus der Arbeitsgruppe Mikrobielle Wirkstoffe. «Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz gegen Krankheitserreger, die gegen andere Antibiotika resistent geworden sind.» In der gegenwärtigen Form, fügt sein Kollege Herbert Irschik hinzu, könne man die untersuchten Substanzen noch nicht als Medikamente einsetzen: «Sie wirken in der Kulturschale sehr gut gegen Bakterien. Um allerdings auch im menschlichen Körper diese Wirkung entfalten zu können und zudem für Patienten verträglich zu sein, müssten sie erst zu Arzneimitteln weiterentwickelt werden. Noch können wir nicht sicher sagen, ob das überhaupt möglich ist.» Dies wollen die Wissenschaftler zukünftig untersuchen.

«Die Befunde zeigen uns, was für ein Potenzial in Myxobakterien und anderen Naturstoffproduzenten steckt», betont Rolf Müller, Leiter der Abteilung Mikrobielle Naturstoffe am HZI. «Sehr viele Medikamente, ganz besonders gegen Infektionskrankheiten, stammen aus der Natur. Wir sind überzeugt, dass wir in den kommenden Jahren noch weitere viel versprechende Wirkstoffe entdecken werden.» Quelle: HZI Originalpublikation Anirban Chakraborty et al., «Opening and Closing of the Bacterial RNA Polymerase Clamp Science 2012, 591–595.

DISCOVER NEW SOLUTIONS FOR LIQUID CHROMATOGRAPHY

nin, Corallopyronin und Ripostatin verhindern die erneute Öffnung der Enzymschere, sodass die RNA-Polymerase gewissermassen «klemmt», geschlossen bleibt und keine weiteren Gene mehr ablesen kann.

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Bild: Daniel Gerlich

Bild 1. Die verschiedenen Zellteilungsstadien einer humanen Krebszelle (HeLa Zelle), Chromosomen (rot), mitotische Spindel (grün).

Selbstlernendes Computerprogramm

Analyse von Zellteilungsprozessen Daniel Gerlich, Biologe am IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien, hat eine neue Methode entwickelt, bei der mikroskopische Bilder vollautomatisch und ohne jede menschliche Unterstützung analysiert und ausgewertet werden können.

In der modernen Biologie ist die automatische Aufnahme von Mikroskopbildern längst Standard. Dabei können pro Experiment mehrere Millionen Bilder entstehen. Diese werden danach analysiert und beurteilt, damit sinnvolle Aussagen getroffen werden können. Computer helfen bei der Analyse der Daten. Allerdings mussten die Wissenschaftler bisher genaue Kriterien vorgeben, nach denen der Computer die Daten sortiert. Diesen Ansatz nennt man «Supervised Machine Learning». Macht der Computer bald alles allein? Daniel Gerlich ist ein Pionier auf dem Gebiet der automatisierten Mikroskopie lebender Zellen. Er entwickelte mit seinem Team eine Methode, bei der die Kategorisierung durch einen Wissenschaftler nicht mehr

Ein Guter Tipp

쎲 Laborchemikalien 쎲 Bioanalytik 쎲 Chromatographie 쎲 Filtration

Unsupervised Machine Learning Die grössten Vorteile der neuen Methode ohne menschlichen Einfluss sind die höhere Objektivität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Zeitersparnis spielt ebenfalls eine Rolle. «Der Biologe wird natürlich auch in Zukunft gebraucht, aber statt monoton Bilder auszuwerten kann er sich seinen eigentlichen Aufgaben zuwenden, wie Hypothesen aufzustellen oder Experimente zu designen», stellt Gerlich klar. Gerlich bearbeitet mit der neuen Technik unter anderem das Thema Zellteilung. «In unserem Experiment haben wir dem Computer nur vorgegeben, dass er die Teilung der Zelle in sechs Phasen unterscheiden soll. Ohne unser weiteres Zutun erkannte das System die strukturellen Veränderungen der Zelle während des Teilungsprozesses und ordnete ähnlich aussehende Bilder den einzelnen Phasen zu.»

Berücksichtigung des Faktors «Zeit» ist der Knackpunkt

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notwendig ist. Beim sogenannten «Unsupervised Machine Learning» erkennt der Computer selbst, wie die Kriterien aussehen müssen, nach denen Bilder zugeordnet werden können.

Vorhergehende Versuche vollautomatisierter Zellerkennung wurden durch die hohe Variabilität der Zellstrukturen erschwert. Die von Gerlichs Arbeitsgruppe entwickelte Methode löst dieses Problem durch die Berücksichtigung der Zeitinformation. Das heisst, dass keine isolierten Bilder analysiert

werden, sondern gefilmte Abläufe. Die gewonnen Ergebnisse sind dadurch viel genauer als mit herkömmlichen Methoden. In der Studie, in der Gerlich die Teilung menschlicher Krebszellen beobachtete, konnten somit auch die feinen Übergänge zwischen den einzelnen Phasen der Teilung festgehalten werden. Die neue Methode ermöglicht daher detaillierte Untersuchungen von Defekten, die zum Entarten von Krebszellen führen können. «Erst die Zeitachse setzt die vielen einzelnen Datensätze in den richtigen Zusammenhang», ist Gerlich überzeugt. «Unsupervised Machine Learning» wird dadurch zu einem wertvollen Werkzeug der modernen Zellbiologie. Quelle: IMBA Originalpublikation Qing Zhong, Alberto Giovanni Busetto, Juan P. Fededa, Joachim M. Buhmann & Daniel W. Gerlich, «Unsupervised modeling of cell morphology dynamics for time-lapse microscopy», Nature Methods 9, 711–713 (2012)

Kontakt Daniel Gerlich IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie GmbH Dr. Bohr-Gasse 3 A-1030 Wien daniel.gerlich@imba.oeaw.ac.at www.imba.oeaw.ac.at 9 /2012


NEWS

Ausgerichtet auf Prozess- und Labortechnologie Die Ilmac in Basel ist die grösste und umfassendste Messe für die Prozess- und Labortechnologie der Schweiz – mit rund 17 000 Fachbesuchern und 460 Ausstellern im Jahr 2010. Damit bietet sie Anbietern aus Forschung und Entwicklung

über Pilotierung und Engineering bis zu Produktion und Entsorgung attraktive Perspektiven für eine Teilnahme an der Branchenplattform. Im September 2013 fokussiert die Ilmac einmal mehr das weite Feld der industriellen Anwen-

dungen innerhalb der Prozessund Labortechnologie – und das im Kerngebiet der pharmazeutischen und chemischen Industrie Europas. Zwei Themen stehen im Fokus: Lebensmittel- und Getränketechnologie sowie Pharmaverpackung.

Die nächste Ilmac wird vom 24. bis 27. September 2013 stattfinden. Weitere Informationen: www.ilmac.ch Quelle: MCH Messe Schweiz (Basel) AG

Endress+Hauser verstärkt Verwaltungsrat Endress+Hauser hat den Verwaltungsrat verstärkt. Zum 1. August 2012 nahm der langjährige Finanzchef der Firmengruppe, Fernando Fuenzalida (69), Einsitz in dem Aufsichtsgremium.

Der Verwaltungsrat der Endress+Hauser Gruppe (von links): Fernando Fuenzalida, Hans Fünfschilling, Vizepräsident George A. Endress, Klaus Eisele, Verwaltungsratspräsident Klaus Riemenschneider, Willi Ruesch, Georg Bretthauer sowie Heiner Zehntner, Sekretär des Verwaltungsrats.

Mit seinem Eintritt in den Verwaltungsrat wächst das Gremium von sechs auf sieben Mitglieder. Damit ist sichergestellt, dass Fuenzalida sein Wissen und seine Erfahrung weiterhin in die Firmengruppe einbringen kann. Fuenzalida, 1942 in Chile gebo-

ren, absolvierte ein Master-Studium als Wirtschaftsingenieur an der Columbia University in New York. Ab 1968 war er als Berater und Manager für verschiedene internationale Unternehmen tätig, ehe er 1998 als Chief Financial Officer zur Endress+Hauser AG stiess. Seit 2002 gehörte er dem neu geschaffenen Executive Board der Firmengruppe an. Zum Jahresende 2011 ging Fuenzalida in den Ruhestand. Text und Bild: Endress+Hauser

Schweizer Forscher erfinden neue Toilette Ein Team aus Schweizer Wasserforschern und Designern aus Österreich hat im Wettbewerb «Re-Invent the Toilet» der Bill and Melinda Gates Foundation einen Anerkennungspreis gewonnen. Für weniger als fünf Rappen pro Tag und Person soll das neue Toilettenmodell eine menschenwürdige, hygienische, umweltfreundliche und auch wirtschaftlich interessante Sanitärversorgung sicherstellen. 22 Forschungsanstalten und Universitäten hat die Bill and Melinda Gates Foundation 2011 für die «Re-Invent the Toilet Challenge» (RTTC) angeschrieben. Ziel des Wettbewerbs: Erfindet die Toilette der Zukunft! Die Bedingungen: Das neue Klo soll ohne Kanalisation und 9 /2012

Fremdenergie auskommen, in Stoffkreisläufe eingebaut sein und nicht mehr als fünf Cents pro Tag und Person kosten. Ende 2011 waren noch acht Teams im Rennen, darunter so renommierte Institute wie das Massachusetts Institute of Technology in Boston oder das California Institute of Technology. Das Team von Eawag und EOOS hat es unter die Besten geschafft: Die «diversion»-Toilette wurde für ihr herausragendes Design mit einem speziellen Anerkennungspreis und 40 000 US Dollar ausgezeichnet. Die Projektleitung lag in den Händen von Tove Larsen. Seit Jahren befasst sie sich an der Eawag mit der Separierung von

Urin und Fäkalien. «Es lag auf der Hand, die Trenntechnologie auch für das Wettbewerbsmodell einzusetzen», sagt Larsen, «nur sie erlaubt die effiziente Rückgewinnung der wertvollen Rohstoffe aus Urin und Fäkalien und eine einfache Wiedergewinnung von Wasser.» Eine in allen Kulturkreisen und von allen Benutzern akzeptierte Trenntoilette gibt es noch nicht. Also musste sie entwickelt und designt werden. Herausgekommen ist ein Stehklo. Das Besondere daran sind nicht nur die separate Ableitung des Urins und ein raffinierter Geruchsverschluss. Vielmehr steht nur ungefähr ein bis anderthalb Liter pro Toilettenbenutzung zur Verfügung. «Das ist absolut ent-

scheidend für die Reinigung des Klos, das Händewaschen und die von Muslimen und Hindus praktizierte Analhygiene mit Wasser», sagt Larsen. Einen Wasseranschluss braucht die neue Trenntoilette nicht. Jedes Mal, wenn eine Benutzerin oder ein Benutzer mit dem Fusspedal Wasser in das kleine Wasserreservoir pumpt, wird hinter der Toilette nämlich verbrauchtes Wasser hochgepumpt. Dieses wird dann über einen Membranfilter gereinigt. Eine einfache, solarbetriebene Elektrode sorgt via Elektrolyse dafür, dass dieses Brauchwasser garantiert frei ist von Krankheitskeimen. Quelle: Eawag 17


NEWS

14 Millionen Schweizer Franken für ETH-Talente Der europäische Forschungsrat (ERC) hat zum fünften Mal die ERC Starting Grants vergeben. Sie fördert ETH-Projekte mit umgerechnet rund 14 Millionen Schweizer Franken. Eine Professorin und sieben Professoren werden in diesem Jahr ausgezeichnet – das sind so viele wie noch nie an der ETH Zürich.

Die acht mit einem ERC Starting Grant ausgezeichneten ETH-Nachwuchsforscher

■ Christian Degen stammt aus Zürich, ist seit 2011 Professor am Laboratorium für Festkörperphysik und hat eine Vision: Er möchte die Magnetresonanz so mit der Rasterkraftmikroskopie kombinieren, dass die Vorteile der beiden Verfahren voll zum Tragen kommen. Ziel ist, dreidimensionale Abbildungen zum Beispiel von einzelnen Viren oder riesigen Proteinmolekülen in einer sehr hohen Auflösung zu erhalten.

■ Andreas Krause widmet sich der Frage, wie entscheidungsrelevante Informationen aus Sensor- und Informationsnetzwerken automatisch extrahiert und verantwortungsvoll genutzt werden können. In seinem ERC-Projekt sollen dazu neue Methoden entwickelt werden, die zum Beispiel in den sozialen Medien und den Umweltwissenschaften angewendet und untersucht werden können.

■ Marco Stampanoni, Professor am Institut für Biomedizinische Technik, möchte ebenfalls ein bildgebendes Ver fahren massiv verfeinern. Er arbeitet seit zehn Jahren an der ETH und am PSI daran, die Röntgentechnik zu verbessern. Dabei soll das Rauschen, das bei Röntgenstrahlen entsteht, produktiv genutzt und so der Kontrast der Röntgenbilder erhöht werden.

■ Der aus Indien stammende Siddhartha Mishra forscht am Seminar für Angewandte Mathematik. Das Design von effi zienten und robusten Algorithmen ist in den letzten Jahren immer wichtiger geworden. Mishra will nun Algorithmen entwickeln, mit deren Hilfe sich grosse und komplexe Systeme simulieren lassen. Diese könnten in Zukunft die Planung, Prognose und Risikoeinschätzung

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Bilder: ETH

Vier der Ausgezeichneten sind erst seit 2011 als Professoren an der ETH und holen bereits die ersten Forschungsgelder nach Zürich. Jedes der eingereichten Projekte wird umgerechnet mit bis zu 1,8 Millionen Schweizer Franken gefördert. Die Starting Grants sind Nachwuchstalenten vorbehalten. So verwundert es nicht, dass die sieben Forscher und die Forscherin zwischen 30 und 38 Jahren jung sind.

interessanter physikalischer und technologischer Probleme erleichtern. ■ Der jüngste ERC-Preisträger Maksym Kovalenko ist Professor am Laboratorium für Anorganische Chemie und forscht an Nanokristallen. Kovalenko will in seinem ERC-Projekt unter anderem die Oberflächenchemie von Nanokristallen besser verstehen und kontrollieren. ■ Der Amerikaner Jeffrey W. Bode, Professor am Laboratorium für Organische Chemie, hat sich ganz den Aminosäuren und Aminen verschrieben, aus denen auch viele pharmazeutische Substanzen bestehen. Da die Synthese solcher Substanzen immer noch teuer ist und viele chemische Abfallstoffe produziert, will er in seinem ERC-Projekt neue Katalysatoren zur Produktion von wertvollen Aminen Peptiden entwickeln.

■ Die erst 31-jährige Informatik-Professorin Olga Sorkine entwickelt in ihrem Projekt «Intelligent Shape Modeling» Werkzeuge für die 3D-Modellierung, mit deren Hilfe selbst Laien dereinst einfach und schnell 3D-Grafiken erstellen können. ■ Hans Jakob Wörner beobachtet, wie sich Elektronen in Molekülen bewegen. Kein einfaches Unterfangen, denn diese bewegen sich im Bereich von Attosekunden (1 as = 10 –18 s). Der 31-jährige Professor am Laboratorium für Physikalische Chemie verfolgt mit seinem ERC-Projekt ehrgeizige Ziele: Mit neuen experimentellen Verfahren soll die Elektronendynamik in Molekülen gemessen werden.

Text: Franziska Schmid, ETH Life (gekürzt) 9 /2012


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

Auf dem Weg zu optischen Transistoren

Ultraschnelles Schalten mit Licht statt Strom In Zukunft könnten in der Informationstechnologie Transistoren zum Einsatz kommen, die mit Licht statt mit Strom funktionieren. Forschern der Gruppe von Atac Imamoglu, Professor für Quantenphotonik an der ETH Zürich, ist es gelungen, eine Vorstufe solcher optischer Transistoren zu entwickeln: einen ultraschnellen Schalter, den man mit einem einzelnen Lichtteilchen ein- und ausschalten kann.

Transistoren sind das Herzstück jeder elektronischen Schaltung: In jedem Computer, jedem Handy und jedem Radiogerät stecken Halbleiterchips, in die unzählige winzige Transistoren integriert sind. Transistoren haben dabei eine Doppelfunktion. Sie sind einerseits Schalter, die von Elektronen gesteuert werden. Andererseits sind es Verstärker, die im «eingeschalteten» Zustand einen Strom an Elektronen verstärken und im «ausgeschalteten» Zustand den Stromfluss unterbinden. An einem Transistor einer anderen Art forschen seit Längerem Physiker der ETH Zürich: an einem sogenannten optischen Transistor. Ein solcher hat dieselben Funktionen wie sein konventioneller Cousin, allerdings sind es dabei nicht Elektronen, die Elektronen steuern, sondern Lichtteilchen (Photonen), die Lichtteilchen steuern. Nun haben Forscher der Gruppe von Atac Imamoglu, Professor für Quantenphotonik, eine wichtige Vorstufe in der Entwicklung eines solchen Transistors erreicht. Es ist ihnen als Erste gelungen, einen ultraschnellen optischen Schalter auf Halbleiterbasis herzustellen, der von einzelnen Photonen gesteuert werden kann.

Selektives Nanobauteil Die Abmessungen des Schalters der ETHForscher liegen im Nanometerbereich. Aufgebaut ist der Schalter aus zwei Komponenten: einem Nanotröpfchen aus Indiumarsenid (einem sogenannten Quantenpunkt) und einem «Lichtkäfig» aus Galliumarsenid (einem sogenannnten photonischen Kristallresonator), in den das Tröpfchen eingebettet ist. Das Bauteil hat unter anderem die Eigenschaft, für Lichtteilchen einer be9 /2012

Bild: Andreas Reinhard/ETH Zürich

Fabio Bergamin

Bild 1. Funktionsschema des Nanoschalters: Ein blaues, auf das System auftreffendes Photon aktiviert die Reflexion eines gleichzeitig ankommenden roten Photons. Ist kein blaues Photon vorhanden, durchdringt das rote Photon System ohne wechselzuwirken.

stimmten Wellenlänge und Farbe durchsichtig zu sein, Lichtteilchen einer anderen Wellenlänge und Farbe jedoch aufzunehmen, kurz danach wieder abzugeben und sie so zu reflektieren. Nennen wir die beiden Farben der Photonen der Einfachheit halber rot und blau. Befindet sich das Bauteil in seinem quantenphysikalischen Grundzustand und schicken die Physiker ein rotes Laserphoton darauf, passiert im Innern des Bauteils gar nichts: Das Photon durchdringt es, ohne dass es zu einer Wechselwirkung kommt. Ein blaues Photon hingegen wechselwirkt mit dem Bauteil, es erzeugt darin für kurze Zeit ein elektrisches Feld, wodurch das optische System in seinen quantenphysikalischen Eigenschaften verändert wird. Trifft

nun zusätzlich ein rotes Photon auf dieses so angeregte System, wechselwirken die beiden Photonen miteinander, wodurch das rote Lichtteilchen vom Bauteil reflektiert wird. Mit einem blauen Photon kann also «geschaltet» werden, ob ein rotes Photon das System durchdringt oder vom System reflektiert wird.

Schnellster optischer Schalter «Die Wellenlängen der Photonen und des Schalters müssen genau aufeinander abgestimmt sein, um die Schaltwirkung zu ermöglichen», erklären Thomas Volz und Andreas Reinhard. Die speziellen Eigenschaften des Systems erlauben es zudem, dass dieses sehr schnell angeregt werden 19


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kann, dieser angeregte Zustand aber ebenso schnell wieder zerfällt. «Unser Schalter kann innerhalb von nur 50 Pikosekunden ein- und ausgeschaltet werden, das sind 50 Billionstel einer Sekunde», erklären die Forscher. Damit ist der Schalter der derzeit schnellste, der von einem einzigen Photon geschaltet werden kann. Mit dem optischen Nanoschalter haben die ETH-Forscher nun den Kern eines optischen Transistors entwickelt, wie er in Zukunft beispielsweise in der Quantenkommunikation zum Einsatz kommen könnte. Bei der Quantenkommunikation geht es

darum, Daten mithilfe quantenphysikalischer Phänomene zu übermitteln. Mit ihrem gegenwärtigen System können die Wissenschaftler mit einem einzelnen Photon ein anderes Photon schalten. Die Forscher bezeichnen ihr System daher als Schalter. Erst ein System, mit dem mit einem Lichtteilchen mehrere andere Lichtteilchen geschaltet werden können, würde man als Transistor bezeichnen. Doch für diese Verstärkerfunktion steht der experimentelle Beweis noch aus. «Nach unseren Berechnungen sollte es mit einem System wie dem unseren allerdings prinzipiell möglich sein, mehrere Photonen zu schalten»,

sagen die Physiker. Der Weg zu einem schnellen Einzelphotonen-Transistor ist also vorgespurt. Quelle: ETH Life vom 17. August 2012

Originalpublikation Thomas Volz, Andreas Reinhard, Martin Winger, Antonio Badolato, Kevin J. Hennessy, Evelyn L. Hu & Ataç Imamoglu, «Ultrafast all-optical switching by single photons. Nature Photonics, 2012, Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1038/nphoton.2012.181

Doppelschichtkondensatoren

Energiespeicher aus Kohlenstoffnanofasern Solar- und Windkraftanlagen erzeugen viel Strom, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Je nach Wetterlage wird so innerhalb kurzer Zeit sehr viel Strom produziert. Grosse Teile dieses «grünen» Stroms gehen ungenutzt verloren, weil unzureichend Speicherkapazitäten zur Verfügung stehen. Am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken entwickeln Forscher neuartige Doppelschichtkondensatoren als Alternativtechnologie zu herkömmlichen Batterien. Darin lässt sich der Strom in Sekundenschnelle speichern und nahezu verlustfrei und beliebig oft wieder abrufen.

Bild: INM

Moderne Energiespeicher, die herkömmliche Batterien, Akkus oder Schwungräder deutlich übertreffen, müssen mehrere Bedingungen erfüllen: Sie müssen kostengünstig in der Herstellung sein, viel Energie auf möglichst kleinem Raum speichern und sie müssen sich schnell und häufig ohne Verschleiss beladen und entladen lassen.

Bild 1. Biegsame Hochleistungskohlenstoffelektrode aus Nanofasern

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«Doppelschichtkondensatoren bieten viele dieser Vorteile», erklärt Volker Presser, Leiter der Nachwuchsforschungsgruppe Energie-Materialien. Man findet sie heute schon in modernen Stadtbussen in Shanghai, in Notstromaggregaten des Airbus A380 oder in alltäglichen Akkuschraubern. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo hohe Verlässlichkeit gefordert ist und wo schnell viel Energie gespeichert oder abgerufen werden soll.

Elektrochemisches Speicherprinzip Dass in Doppelschichtkondensatoren schnell Energie gespeichert werden kann, liegt am elektrochemischen Speicherprinzip: Ionen in einem flüssigen Elektrolyten werden an je eine positiv und eine negativ geladene Elektrode angelagert, die über eine nichtleitende Wand, den sogenannten porösen Separator, getrennt sind. Diese elektrochemische Doppelschicht ist in sich ladungsneutral und kann die darin gespeicherte Energie in Sekunden wieder freigeben. Der Stromfluss sowohl zum Beladen als auch zum Entladen erfolgt durch Stromabnehmer an diesen Elektroden. Je mehr positive und negative Ladungen sich anhäufen und je höher die angelegte Spannung ist, 9 /2012


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umso mehr Energie kann gespeichert werden. Deshalb ist es wichtig, Elektroden mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche herzustellen: Besteht sie zum Beispiel aus fünf Gramm Aktivkohle hat die Elektrode eine innere Oberfläche von einem Fussballfeld. «Wenn es darum geht, viel Strom auf wenig Platz zu speichern, hinken Doppelschichtkondensatoren trotz dieser hohen Oberfläche den gängigen Batteriesystemen noch hinterher», sagt, der Mineraloge Presser. «Diese sogenannte Energiedichte können wir noch steigern, wenn wir die Struktur des Materials und die Materialzusammensetzung verändern.» Im Forschungsprojekt nanoEES3D werden die Forscher deshalb ganz genau betrachten, wie sie das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Poren von Hochleistungskohlenstoffen für den schnellen Transport von Ionen verbessern können.

Hochporöser und hochreiner Kohlenstoff Die Porosität von Kohlenstoff lässt sich genau über den Syntheseweg steuern: Von Metallcarbiden ausgehend, die als Pulver oder hauchdünne Nanofasern vorliegen, entsteht durch eine chemische Behandlung mit reaktiven Gasen hochporöser und hochreiner Kohlenstoff. Je nach Wahl des Ausgangsmaterials und der Reaktionsbedingungen, wie zum Beispiel Temperatur und Zeit, lassen sich verschiedene Nanokohlenstoffe in Pulverform herstellen. Sie reichen von ungeordnetem Kohlenstoff über Graphen bis zu Nanotubes. «Die Kosten für diesen Herstellungsweg sind jedoch für eine Anwendung im grossen Massstab viel zu teuer», meint der Energieexperte. «Wir werden deshalb in unserem Projekt neue Synthesewege ausprobieren und Polymere als Ausgangsmaterial für besonders formbare Kohlenstoffe untersuchen», sagt Presser, «dies hat den Vorteil, dass man nicht nur Pulver, sondern auch Fasern, Dünnfilme und Kohlenstoffschäume herstellen kann.» Auch durch die eingesetzten Elektrolyte lässt sich die Speicherkapazität erhöhen: «Bisher werden in organischen Lösungsmitteln gelöste Salze als Elektrolyt verwendet», 9 /2012

erklärt Presser, «würde man sie durch ionische Flüssigkeiten ersetzen, könnte man die Speicherkapazität weiter erhöhen; allerdings sind sie für grossindustrielle Anwendungen zu kostspielig.»

damit können wir zwar mehr Energie speichern, allerdings oft auf Kosten der Langlebigkeit und Reaktionsschnelle solcher Speicher.» Quelle: INM

Das Team um Presser will deshalb diese hochporösen Kohlenstoffe mit redoxaktiven Metalloxidnanopartikeln kombinieren. «Solche Hybridmaterialien können als sogenannte Pseudokondensatoren über zehnfach höhere Energiemengen speichern als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren», erklärt der Nachwuchsforscher. «Hier müssen wir allerdings vorsichtig sein, denn

Kontakt Dr. Volker Presser, INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH Campus D2 2 D-66123 Saarbrücken Telefon +49 (0)681 9300 177 volker.presser@inm-gmbh.de www.inm-gmbh.de

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Der SNF investiert seit 60 Jahren in Forscher und ihre Ideen

Elf Milliarden Franken für die Forschung Am 1. August 2012 konnte der Schweizerische Nationalfonds (SNF) auf 60 Jahre Engagement für die Forschung zurückblicken. Gegründet 1952 aus der Besorgnis, dass die Schweizer Forschung nach dem Zweiten Weltkrieg ins Mittelmass absinken könnte, fördert der SNF heute jährlich über 8000 herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Er ist damit die wichtigste Schweizer Institution zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.

In den 60 Jahren seiner Förderungstätigkeit konnte der SNF insgesamt über 11 Milliarden Franken in wissenschaftliche Forschung investieren. In diesem Zeitraum hat er mehr als 70 000 Gesuche in der Projekt- und Karriereförderung beurteilt und über 20 0000 jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mittels Stipendien einen Forschungsaufenthalt im Ausland ermöglicht. Unter den vom SNF Geförderten sind spätere Nobelpreisträger wie der Biophysiker Kurt Wüthrich (ETH Zürich) und der Biomediziner Rolf Zinkernagel (Universität Zürich). Seit 1975 hat der SNF zudem rund 70 vom Bundesrat in Auftrag gegebene Nationale Forschungsprogramme (NFP) zur Lösung dringender Probleme von nationaler Bedeutung lanciert und diese mit über 660 Millionen Franken finanziert. Für die seit 2001 geschaffenen 28 Nationalen Forschungsschwerpunkte (NFS) zur Stärkung der Forschungsstrukturen hat er in den ersten zehn Jahren weitere rund 627 Millionen Franken bereitgestellt.

Zahlen und Fakten im historischen Vergleich Zu Beginn seiner Förderungstätigkeit 1952/ 1953 stellten Bundesrat und Parlament dem SNF ein Jahresbudget von rund 4 Millionen Franken zur Verfügung. 25 Jahre später, im Jahr 1977, belief sich dieser Betrag bereits auf 124 Millionen Franken. Und heute, 60 Jahre nach seiner Gründung, sind es über 700 Millionen Franken. Parallel zum Budget und zum Aufgabenspektrum stieg kontinuierlich die Zahl der eingereichten Gesuche in der Projektförderung, dem wichtigsten Förderungsinstrument des SNF: Während der SNF im ersten vollen Tätigkeitsjahr 1953 noch 267 Gesu22

che zu begutachten hatte, waren es 1977 bereits 741, und allein in den letzten zehn Jahren kletterte die Zahl von 1762 (2002) auf die Rekordhöhe von 2407 (2011). Über alle Förderungsbereiche gesehen, behandelte der SNF 2011 über 4900 Gesuche. Um die stetig zunehmenden Gesuche angemessen bewältigen zu können, versiebenfachte sich seit der Gründerzeit die Mitgliederzahl des Nationalen Forschungsrats von 14 auf heute 100.

Was brachten und bringen die Investitionen der Schweiz? Wissenschaft und Forschung bilden die Grundlage unserer modernen Gesellschaft. Sie schaffen die ökonomischen und kulturellen Voraussetzungen für unsere Wohlfahrt und ermöglichen es uns zugleich, die auf uns zukommenden globalen Probleme zu reflektieren und alternative Entwicklungen aufzuzeigen. Heute darf sich die Schweiz zu den führenden Forschungsnationen zählen. Das Engagement diverser Akteure zugunsten der Forschung spiegelt sich in der Innovationskraft der Schweizer Wirtschaft wider. Die

Schweiz belegt seit mehreren Jahren den ersten Platz des Innovation Union Scoreboard. Im Verhältnis zur Einwohnerzahl werden überdurchschnittlich viele Patente angemeldet und häufig zitierte wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht. Im internationalen Wettbewerb um die besten Projekte sind die Schweizer Forscher sehr erfolgreich. So verzeichnen sie regelmässig hohe Erfolgsraten beim European Research Council (ERC). Der grosse Anteil an Forschern aus dem Ausland deutet ausserdem auf die Attraktivität der Schweizer Hochschulen hin.

Der SNF gibt sich ein Leitbild Zu seinem 60-Jahr-Jubiläum hat sich der SNF ein Leitbild gegeben. Darin bringt er seine Ambition auf den Punkt und legt die Grundsätze seines Handelns dar. Letztere sind ein Bekenntnis zu Qualität, Unabhängigkeit, Verantwortung und Fairness. Es gehört zur Kernaufgabe des SNF, laufend Forscher und ihre Projektideen zu beurteilen. Mit dem Leitbild zeigt er auf, woran er sich selbst messen lassen will, denn: Der SNF will nicht nur exzellente Forschung fördern, sondern auch selbst exzellente Forschungsförderung betreiben. Quelle: SNF

Der Schweizerische Nationalfonds Der SNF fördert mit öffentlichen Mitteln in einem kompetitiven Verfahren die Grundlagenforschung, d. h. jene Forschung, die nicht durch die Wirtschaft finanziert wird. Sein besonderes Augenmerk gilt dabei der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses. Quelle: SNF

Kontakt Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung Wildhainweg 3 Postfach 8232 CH-3001 Bern Telefon +41 (0)31 308 22 22 com@snf.ch www.snf.ch 9 /2012


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Direkte Abbildung magnetischer Molekülorbitale gelungen > 80,000 Fine Chemicals Wissenschaftlern der Universität Hamburg aus der Gruppe von Roland Wiesendanger ist es erstmals gelungen, die magnetische Struktur von Einzelmolekülorbitalen mit der spinsensitiven Rastertunnelmikroskopie abzubilden.

Bild 1. Versuchsanordnung (siehe Text)

Eine atomar scharfe magnetische Spitze eines Rastertunnelmikroskops wird dazu verwendet, den magnetischen Zustand des Moleküls bei verschiedenen Energien abzutasten und damit eine spinaufgelöste Abbildung verschiedener Molekülorbitale zu ermöglichen. Bild 2 gibt das Resultat des Experiments wider: Die räumliche Spindichteverteilung einzelner Molekülorbitale kann direkt visualisiert werden. Blaue Färbung steht dabei für parallel, rote für antiparallel zur Magnetisierung der Oberfläche ausgerichtete Spinzustände des Moleküls. Die beiden Bilder zeigen die Spindichteverteilung bei zwei verschiedenen Energien. Die Beobachtung einer verschiedenen Spinausrichtung bei verschiedenen Energien bedeutet, dass es leichter ist, dem selben Molekülorbital ein Elektron mit antiparallel zur Oberfläche ausgerichtetem Spin hinzuzufügen als ein Elektron mit entgegengesetztem Spin.

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Bilder: Jörg Schwöbel

Diese Ergebnisse veranschaulichen erstmals, dass bei den untersuchten Einzelmolekülmagneten das gesamte Molekül, und nicht nur das zentrale Metallatom, magnetisch ist. Quelle: Sonderforschungsbereich 668 Bild 2. Visualisierung einzelner Spinorbitale (siehe Text)

Dafür wurden Einzelmolekülmagnete untersucht, die in der Lage sind, die Richtung ihres magnetischen Moments, des Spins, zeitlich stabil zu halten. Man kann sich jedes dieser Moleküle wie einen kleinen Magneten vorstellen, mit denen sich neue magnetische Nanostrukturen konstruieren lassen. Diese könnten zukünftig noch kleinere Computerbausteine ermöglichen. Besonders für den Bau von Quantencomputern besitzen diese molekularen Magnete ein sehr hohes Potential. Bild 1 zeigt die Anordnung des Experiments mit einem einzelnen, flach auf einer magnetischen Oberfläche liegenden Moleküls. 9 /2012

Originalpublikation Jörg Schwöbel et al., «Real-space observation of spin-split molecular orbitals of adsorbed single-molecule magnets», Nature Communications 3, Article number: 953 (2012).

Kontakt Dipl.-Chem. Heiko Fuchs Universität Hamburg Institut für Angewandte Physik Sonderforschungsbereich 668 Jungiusstrasse 11a D-20355 Hamburg Telefon +49 (0) 40 4 28 38 69 59 hfuchs@physnet.uni-hamburg.de www.sfb668.de

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FIRMENREPORTAGE

Zimmerli Messtechnik AG, Riehen

Erfolgreiche Nischenpolitik Die Mess- und die Regeltechnik stehen im Zentrum der Tätigkeit der Zimmerli Messtechnik AG in Riehen. Seien es Prozesse, Verfahren oder Automationen – die Kunden des Kleinunternehmens erhalten alles aus einer Hand. Zudem werden sie bei der Planung, Ausführung und Wartung unterstützt.

Kurt Hermann, «ChemieXtra» Seit gut 38 Jahren steht Peter Zimmerli sen. der Firma vor, die er 1974 zusammen mit seiner Frau Ursula gründete. Das Unternehmen, eine reine Familienaktiengesellschaft, wird noch heute von der Zimmerli-Familie geprägt: Nicht weniger als 6 der 14 Beschäftigten gehören zu ihr. Peter Zimmerli jr. sowie Dieter J. Greiner sollen einmal die Geschäftsleitung übernehmen. Heute vertritt Zimmerli – neben Eigenprodukten, auf die weiter hinten eingegangen wird – Handelsprodukte internationaler Hersteller, für die in der Schweiz und in Liechtenstein exklusive Vertriebsrechte bestehen. Zu nennen sind hier Yokogawa, Rota Yokogawa, Flexim, Labom Magnetrol, Tescom, Idag, TLV und GHR. Daraus ergibt sich auch das aktuelle Lieferprogramm des Unternehmens: Analyse-Messtechnik, Armaturen und Ventile (Regelventile, Durchflussbegrenzer, Rückschlagventile), Dampfarmaturen, Druckmessumformer, Druckregler, Durchflussmesstechnik, Füll-

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standmesstechnik, Automatisierung, Prozessdatenschreiber, Regler und Signalverarbeitung, Temperaturmesstechnik. Mit dem Geschäftsgang ist man aktuell zufrieden. Greiner sagt: «Innerhalb der Schweiz ist eine gewisse Sättigung erreicht, es gibt keine grossen Zuwächse mehr. Was sich ausserhalb der Schweiz abspielt, garantiert uns das Wachstum.» Konkret bedeutet dies: Das Jahr 2011 war «ganz gut» und das laufende Jahr «ist bisher noch etwas besser». Selbstverständlich verursacht der schwache Euro bei einigen Kunden Probleme. Im vergangenen Jahr nahm Zimmerli dreimal Preiskorrekturen nach unten vor. «Wir geben den Währungsvorteil weiter», hält Zimmerli sen. fest.

Wer sät, kann später auch ernten Zimmerli sen. sagt: «Gerade im Niederdruckbereich haben wir, weil wir die ersten in der Schweiz waren, ein umfassendes Wissen akkumuliert, das letztendlich unse-

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ren Kunden zugutekommt.» Greiner ergänzt: «Entscheidend ist, dass das Ding im Sinn des Anwenders funktioniert. Unser Trumpf ist das breite Anwendungs-Knowhow. Durch kompetente Beratung haben wir uns einen ausgezeichneten Namen geschaffen – auch eine Art Werbung. Wir können in der Form von Folgebestellungen und Mund-zu-Mund-Propaganda stets ernten, wenn wir einen guten Job machen.» Zimmerli sieht sich nicht als Händler, der Waren verschiebt. Dank gut ausgebildeten erfahrenen und motivierten langjährigen Mitarbeitern ist es möglich, die Kunden umfassend zu beraten; sie erhalten die Anwendungstechnik mitgeliefert. Dies ist auch dringend nötig, denn bei vielen Kunden fehlt das Wissen, das es ihnen erlaubt, das richtige Produkt zu bestellen. Selbst bei renommierten Ingenieurfirmen kann es vorkommen, dass falsche Instrumente bestellt werden. Dazu Greiner: «Anfragen kommen teilweise unvollständig oder auch komplett falsch. Wir haben ein Gefühl entwickelt, was man noch abklären

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Bild 1. Eine kleine Auswahl von Labom-Produkten. D2-035: hochauflösendes mbar-Plattenfedermanometer für Relativ- oder für Absolutdruck; D3-027: aseptisches Kontaktmanometer mit Namur-Alarmkontakten; D4-017-2: aseptischer Rohrdruckmittler mit Clamp-Anschluss und Zweileiter-Messumformer; D4-070-2: Differenzdruck-Füllstandmessumformer mit Tantaldruckmittler für korrosive Anwendungen.

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FIRMENREPORTAGE

Bild 2. Die Führungs-Crew von Zimmerli: Dieter J. Greiner, Peter Zimmerli sen. und Peter Zimmerli jr. (v.l.n.r.)

muss, damit am Schluss doch das richtige Gerät geliefert wird.» Besonders geschätzt wird der Zimmerlieigene Prüfstand, wo beispielsweise abgeklärt werden kann, ob sich ein Ventil bei vorgegebenem Vor- und Nachdruck für einen bestimmten Einsatz auch eignet.

Mit Eigenprodukten weltweit präsent Mit einer beschränkten Anzahl an Produkten ist Zimmerli weltweit präsent. Es handelt sich um Eigenentwicklungen, die im Auftrag von Zimmerli produziert werden und natürlich auch in der Schweiz erhältlich sind. Zu nennen sind: Niederdruck- und Mitteldruckregler, Überström- und Belüftungsventile sowie Rückflusssperrventile. Die Produkte sind auf www.zimmerli-inert.com

Bilder 1, 3 und 4: Zimmerli

Bild: Kurt Hermann

Selbstverständlich ist auch eine Werkstatt vorhanden, denn die Produkte werden in der Regel kundenspezifisch ausgeliefert. Dies gilt auch für Lagerprodukte. Zur Firmenphilosophie gehört die schnelle Erfüllung von Kundenwünschen. Eine wichtige Rolle spielt das Internet: Bei Fremdprodukten sind die Daten durch die Verlinkung mit den jeweiligen Herstellern immer auf dem neuesten Stand.

Bild 3. Im Einsatz zur Inertisierung und Schutzgasüberlagerung: das Niederdruck-Reduzierventil ZM-R25 und das Überströmventil/ Druckhalteventil ZM-B25 von Zimmerli

aufgeführt. Neben den Links zu den Datenblättern können auch Beschreibungen der wichtigsten Anwendungen aufgerufen werden. In Bild 3 sind zwei Ventile abgebildet. Im Kasten ist eine Anwendung dieser Regler ausführlich beschrieben.

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FIRMENREPORTAGE

Temperaturund Druckmessungen Mit der Übernahme der Vertretung des norddeutschen Unternehmens Labom Mess- und Regeltechnik GmbH konnte Zimmerli das Angebot weiter abrunden. Das in Hude ansässige Familienunternehmen hat sich auf die Messung und Überwachung von Druck und Temperatur sowie daraus abgeleiteter Grössen wie Füllstand und Durchfluss spezialisiert. Labom-Produkte werden vorwiegend in den Bereichen Food, Pharma, Biotechnik, Chemie, Petrochemie, Energie, Umweltschutz und Seeschifffahrt eingesetzt. Die Geräte für hygienegerechte Anwendungen werden gemäss den GMPRichtlinien hergestellt und entsprechen den Standards der FDA und der EHEDG. Labom verfügt über viel Erfahrung mit Druckmittlern. Zusammen mit den Druckmessgeräten können damit die Anforderungen an eine hygienegerechte Messstellenanordnung erfüllt werden. Druckmittler trennen empfindliche Sensorelemente vom Prozessmedium und schützen dadurch Druckmessgeräte vor aggressiven, hochviskosen oder kristallisierenden Messstoffen, vor hohen Messstofftemperaturen und Temperaturschwankungen sowie vor Druckspitzen und Druckstössen. Sie gewährleisten die fehlerfreie Übertragung des Prozessdrucks auf das Sensorelement. Die Labom-Produkte sind ebenfalls auf der Zimmerli-Homepage www.zimmerliag.com aufgeführt. Einige Beispiele sind in Bild 1 zusammengefasst.

Kontakt Zimmerli Messtechnik AG Schlossgasse 10 CH-4125 Riehen 1 Telefon + 41 (0)61 645 98 00 info@zimmerliag.com www.zimmerliag.com

Bild 4. Schutz von Prozessgut in einem Tank nach dem Überlagerungsprinzip.

Das Prinzip der Inertisation/Überlagerung Stickstoff wird vom Verteilernetz mit einem Druck von bis zu 10 bar g direkt auf den Zimmerli-Niederdruckregler geleitet und dort auf einen Überdruck von beispielsweise 20 mbar g reduziert. Auf der Ausgangsseite des Prozesses bläst ein Überströmventil Schutzgas erst dann ab, wenn der Druck auf beispielsweise 40 mbar g angestiegen ist. Solange sich der Druck im Prozess nur zwischen 20 und 40 mbar g bewegt, wird kein Stickstoff verbraucht. Wird ein Tank, Behälter oder Reaktor mit Prozessgut befüllt, verdichtet sich das vorhandene Schutzgas. Dadurch steigt der Druck. Das Überströmventil öffnet sich, sobald dessen Grenzwert (zum Beispiel 40 mbar g) erreicht ist und verhindert einen weiteren Druckanstieg. Die Überströmventile werden in der Praxis auch als Druckhalteventile bezeichnet. Wenn das Prozessgut aus einen Tank, Behälter oder Reaktor entnommen wird, verdünnt sich die vorhandene Schutz-

gasatmosphäre. Dadurch sinkt der Druck. Das Reduzierventil öffnet sich, sobald dessen Grenzwert (z. B. 20 mbar g) unterschritten wird und verhindert einen weiteren Druckabfall. Somit bewegt sich der Überlagerungsdruck stets zwischen dem Grenzwert der Reduzierers (20 mbar g) und dem Grenzwert des Überströmers (40 mbar g). Zimmerli Reduzier- und Überströmventile sind robuste und feinfühlige Differenzdruckregler, die Ihre eingestellten Grenzwerte stets auf Basis des momentan herrschenden atmosphärischen Drucks halten. Dadurch ist sichergestellt, dass der Überlagerungsdruck unter allen atmosphärischen Bedingungen konstant bleibt. Optional können die Regler ab Werk auch für –1000 bis +2500 mbar g und mit der Sicherheitsfunktion «aktiv offen» oder «aktiv geschlossen» ausgerüstet werden. Quelle: Präsentation Zimmerli

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Den Pillen auf den Zahn gefühlt Für die Wirkstoffanalyse, ist eine effiziente Probenvorbereitung der Tabletten unabdingbar. Nur die beste Wirkstoffextraktion gewährleistet von Anfang an ein hohes Niveau für die nachfolgende Analyse. Diese Aufgaben werden durch hochspezialisierte Dispergierwerkzeuge übernommen.

Markus Borer 1 Die Pharmazeutische Technologie (vormals Galenik) beschäftigt sich mit der Darreichungsform von Heilmitteln. Die Wirkstoffe werden hierfür mit Hilfsstoffen zusammengeführt und in den unterschiedlichsten Darreichungsformen wie Tabletten, Pillen, Dragées, Kapseln und Zäpfchen angeboten. Pillen oder Tabletten durchlaufen bei ihrer Entstehung komplexe Prozesse bevor sie verpackt werden können. Gleichbleibende Qualität in den einzelnen Teilschritten kann nur durch diverse Kontrollen gewährleistet werden. Bei der Tablettenherstellung wird Pulver in Granulat überführt, um dann in Formen gepresst zu werden. Nachfolgend wird durch Dragieren in diversen Schritten ein Überzug aufgebracht. Dieser kann steuernde Funktionen beinhalten, zum Beispiel gezielte Freisetzung von Wirkstoffen, Farbe oder Überdeckung von Bitterstoffen. Erst nach diesen Schritten können die Tabletten verpackt werden. Im Gegensatz zur amorphen Struktur des Inhaltspulvers, welches naturgemäss sehr leicht benetzbar ist, steht die meist harte Dragée-Schicht, welche gezielt aufgebrochen werden muss. Um Konzentrationsunterschiede in der Analysenlösung zu verhindern, müssen alle Inhaltsstoffe homogen durchvermischt werden.

reich des Rotors/Stators wird alles Material zentrifugal beschleunigt und kommt in den Scherspalt zwischen dem Rotor und Stator (Bild 2). Die Materialpartikel unterliegen hohen Abbrems- sowie tangentialen und radialen Beschleunigungskräften. Die einzelnen Partikel werden auseinander gerissen und zerkleinert (Scherung). Dabei werden sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten erreicht. Durch weitere Schneid- und Pralleffekte werden die Partikel noch weiter zerkleinert. Die extremen Turbulenzen, die bei der Bearbeitung entstehen, sorgen für eine ausgezeichnete Homogenisierung aller Tablettenkomponenten. Bild 2. Das kinematische Prinzip

Pillenzerstörung, aber richtig Der beste Antrieb ist nichts ohne ausgeklügeltes Aggregatsystem, welches für den Anwender und die Anwendung gleichermassen von Nutzen ist. Das Polytron PT-DA 20/2XEC-E116-Aggregat ist speziell für die

Dispergierung von Pillen mit Flüssigkeiten entwickelt worden. Das Aggregat wird mittels der Einhandschnellkupplung am Antrieb befestigt. Der geschützte innenliegende Rotor saugt durch seine Rotation im Betrieb

Bild 1. Polytron PT 1200 E-Dispergierer

Bild 3. Flexibles Handling

Das kinematische Prinzip des Dispergierens

1 Markus Borer leitet die Marketingabteilung von Kinematica.

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Bilder: Kinematica

Angetrieben durch einen Motor, erzeugt der Rotor innerhalb des Stators einen Unterdruck, welcher kontinuierlich die zu dispergierende Pille ansaugt. Im Arbeitsbe-

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FIRMEN BERICHTEN

Bild 4. Aggregate (Pillenaggregat 4. von links)

die Pillen zusammen mit der Flüssigkeit an. Seine beiden unterschiedlich langen, ausgewuchteten Rotorzähne zerstören die Pille in kleinste Teile und stossen diese an den beiden Schlitzen des Statorrohrs wieder aus. Dieser Vorgang wiederholt sich etwa 4 bis 6 Sekunden lang. Dann ist die geforderte Dispergierung erreicht. Durch die Sondergeometrie kann das Aggregat nicht verstopfen, Probenreste können nicht hängen bleiben. Die gewonnene Analyselösung bildet eine ausgezeichnete Basis zur Analyse der pharmazeutischen Wirkstoffe (API).

Reinigung, kurz und bündig Nach jedem Gebrauch steht die Reinigung an. Die Demontage gestaltet sich ohne Werkzeuge einfach und schnell. Schritt 1: PTFE-Klammer mit dem Daumen entfernen (dies ist auch mit Handschuhen möglich). Schritt 2: Der Rotor wird freigegeben und kann aus dem Statorrohr herausgleiten. Zusammen mit dem PTFE-Gleitlager sind somit nur zwei Edelstahlteile zu reinigen (zum Beispiel durch Autoklavieren). Die Montage erfolgt wiederum ohne Werkzeug.

Dispergierer in modernen Laboratorien Viele Hersteller nutzt das Original-kinematische Prinzip. Inhaltlich bestehen alle Produkte aus Antrieb, Stativ, Steuerung, Kupplung und Aggregat. Die Unterschiede, welche einen Dispergierer zu einem öko9 /2012

Bild 5. Kofferset für den portablen Gebrauch

nomischen Feinstdispergierer machen, sind nachfolgend zu finden. Effizienz als Schlüssel zum Erfolg Die PT1200E- und die PT1300D-Serie von Kinematica besticht durch ihre Handlich keit, den Betrieb mittels 24 Volt DC Sicherheitsspannung und Drehzahlen bis zu 30 000 min–1. Zusammen mit ihrer integrierten Präzisions-Einhandschnellkupplung und dem optionalen Stativ bildet sie eine kompakte Einheit. Drehzahlsteuerung im Fokus ■ Gesteuert: Die vorgegebene Drehzahl fällt leicht bei höher werdender Last wie zum Beispiel ändernde Viskosität. ■ Geregelt: Die vorgegebene Drehzahl regelt sich lastunabhängig, das heisst, sie bleibt immer gleich (beispielsweise bei höher werdender Viskosität) ■ Parametrisiert/PC-geregelt: Die vorgegebene Drehzahl regelt sich lastunabhängig, und es können zusätzliche Parameter eingegeben werden (zum Beispiel Drehzahl und Zeitsteuerung für die Reproduzierbarkeit). Die Aggregate Ohne ausgeklügelt effiziente Aggregate ist das beste Antriebskonzept wertlos. Das PTDA 20/2XEC-E116-Aggregat für Pillen hat des Weiteren auch andere Spezialisten an seiner Seite (Bild 4). Wie das kleinste Aggregat mit 3 mm Durchmesser für Kleinstmengen (0,05 bis 5 ml) für Human- oder pflanzliche Proben. Andere Grössen von 5

bis 12 mm Durchmesser sind ebenfalls erhältlich. Der Spezialist für faserige und sehnige Proben ist das 12-mm-W-Aggregat mit aussenliegenden Messern, für Fleisch oder grössere Gewebeproben. Für alle gilt natürlich die gemeinsame EasyClean-Technologie, für einfachste Reinigung ein absolutes Muss. Die Einheit Die Systeme können individuell zusammengestellt werden. Sei es mit Halter zur Aufnahme von Antrieb, Trafo und Aggregaten, sei es mit dem passenden höhenverstellbaren Plattenstativ. Selbst ein Set mit Koffer mit Platz für zwei Aggregate für den mobilen Einsatz steht zur Verfügung (Bild 5). Im Fokus Präzise Analysen erhält man durch homogene Verteilung der Inhaltsstoffe mit sehr hohem Extraktionsgrad. Die Probenvorbereitung bei Pillen und Tabletten gestaltet sich mit dem Polytron PT-DA 20/2XEC-E116Aggregat effizient und einfach. Schwierige Aufgaben verlangen Profis, die sich bei Kinematica mit den Problemstellungen der Kunden auseinandersetzen.

Kontakt KINEMATICA AG Luzernerstrasse 147a CH-6014 Luzern (Littau) Telefon +41 (0)41 259 65 65 info@kinematica.ch www.kinematica.ch 29


FIRMEN BERICHTEN

Schutz empfindlicher biologischer Proben

Tiefsttemperaturlagerung ohne Kontakt mit LN2 Die US-amerikanische Firma Custom BioGenic Systems (CBS) hat Kryobehälter mit Flüssigstickstoff-Kühlmänteln entwickelt, in denen eine gleichmässige Lagertemperatur um –190 °C ohne Kontakt mit flüssigem Stickstoff gewährleistet ist. Dadurch wird eine Kreuzkontamination durch Flüssigstickstoff verhindert. Seit Kurzem sind beim Schweizer CBS-Vertreter Labtec Services AG in Wohlen Kryobehälter erhältlich, in denen die Proben durch ein von aussen zu bedienendes Karussell besser zugänglich sind. Dank der wesentlich kleineren Beschickungsöffnung kann zudem der Flüssigstickstoffverbrauch reduziert werden.

Empfindliche biologische Proben wie Zellen oder Gewebe lassen sich durch Abkühlen auf Temperaturen unter –150 °C dauerhaft konservieren, wenn gewisse Vorsichtsmassregeln getroffen werden. Dazu gehören beispielsweise bei Zellen der Schutz vor Eisbildung ausserhalb und im Innern der Zelle sowie vor Dehydrierung. Als Kühlmittel erweist sich flüssiger Stickstoff (Liquid Nitrogen, LN2) als besonders geeignet. Er ist Hauptbestandteil der Atmosphäre und siedet bei –196 °C.

Flüssiglagerung und Gasphasenlagerung Vakuum-Dewargefässe haben sich als Behälter von flüssigem Stickstoff (LN2) bewährt. Obwohl das Einbringen und Entfernen von Proben bei der Flüssigstickstofflagerung nicht ungefährlich ist, besticht das Verfahren doch durch seine Einfachheit und

Bild 2. Isothermal LN 2-Trockenlagerbehälter

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die Gewissheit, dass die Lagertemperatur von –196 °C immer eingehalten wird, es sei denn, die Flüssigstickstoffoberfläche sinke unter die Probenoberfläche. Besonders nachteilig wirken sich allerdings vor allem mögliche Kreuzkontaminationen sowie gelegentlich auch undichte Probengefässe aus. Eine Alternative zur Flüssiglagerung ist die Gasphasenlagerung, die den cGMP-Richtlinien eher gerecht wird. Hier wird nur rund ein Drittel des Kryogefässes mit flüssigem Stickstoff befüllt. Die Proben befinden sich auf einer Plattform oder in Gestellen oberhalb des LN2. Eine Konsequenz ist allerdings, dass zwischen der FlüssigstickstoffOberflächen und den obersten Bereichen des Behälters Temperaturunterschiede unvermeidlich sind.

Intelligente Mantelkonstruktion Das amerikanische Unternehmen Custom BioGenic Systems (CBS), dessen Generalvertreter Labtec Services AG in der Schweiz und Liechtenstein ist, vermeidet mit seinen Isothermal LN2-Trockenlagerbehältern (Bild 2) die wesentlichen Nachteile der Flüssig- und der Gasphasenlagerung. Wie in Bild 3 schematisch gezeigt, handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Gasphasenlagerung. Flüssigstickstoff, das Kühlmittel, befindet sich nicht im Edelstahlinnenraum, wo die Proben gelagert werden; es ist im Flüssigstickstoffmantel, der den Probenraum umgibt. Die Kälte wird einerseits über die Seitenwände und andererseits über die oben angebrachten Belüftungsventile in die Kammer geleitet. Das Resultat ist eine ausgezeichnete Temperaturkonstanz im –190 °C-

Bild 1. Pascal Weniger, Leiter Verkauf bei Labtec Services AG, erklärt die Funktionsweise der neuen Gasphasen-Lagerbehälter.

Bereich über den ganzen Innenraum ohne Verlust an Lagerkapazität. In anderen Flüssigstickstoffbehältern zur Dampfphasenlagerung wird bekanntlich ein Teil des Innenraums vom Flüssigstickstoff beansprucht. Für das CBS-System spricht insbesondere auch die Temperaturkonstanz. Pascal Weniger, Leiter Verkauf bei Labtec, sagt: «Wir haben es mehrmals untersucht: Es gibt kein Gerät, das eine derart stabile Temperatur erreicht wie das CBS-Gerät.» Ein Sensor misst laufend die verbleibende Kühlmittelmenge. Wenn ein bestimmtes Niveau unterschritten wird, wird automatisch LN2 nachgefüllt. Auch eine manuelle Befüllung ist möglich. Durch den Einbau von Rillen und seitlichen Strömungsklappen wurde das Design dem Luftströmunsprozess einer Sterilbank angepasst. Der Luftaustausch mit der Umgebung ist dadurch bei geöffnetem Deckel auf ein Minimum reduziert. Und sollte einmal das automatische Nachfüllen mit LN2 nicht funktionieren und aller Stickstoff verdampfen, dauert es 46 Stunden, bis die Innentemperatur auf –150 °C angestiegen ist. 9 /2012


FIRMEN BERICHTEN

Bild 1: Kurt Hermann, Bilder 2–5: Labtec

Sämtliche Modelle sind serienmässig mit einer Mikroprozessorsteuerung sowie Alarmfunk tionen ausgerüstet. Kundenspezifische Konfigurationen sind möglich. Die Lagersysteme sind ISO-zertifiziert (ISO 13485) und entsprechen der Medical Divice Directive 93/42/EEC Klasse IIA betreffend Lagerung von Blut, Körperflüssigkeiten oder Geweben zum Zweck einer möglichen späteren Zuführung in den menschlichen Körper.

Ein Karussell erleichtert den Zugriff auf die Proben

Bild 3. Aufbau eines Isothermal LN 2-Gasphasen-Lagerbehälters

Die Isothermal LN2-Gasphasen-Lagerbehälter sind in vier verschiedenen Ausführungen mit unterschiedlichen Lagerkapazitäten (9100 bis 46 500 2-ml-Ampullen bzw. 434 bis 2208 50-ml-Blutbeutel) erhältlich.

Seit einigen Monaten ist eine neue Version der Isothermal LN2-Gasphasen-Lagerbehälter (Bild 4) auf dem Markt. Die wesentlichen Unterschiede zu den immer noch erhältlichen Vorgängermodellen sind die kleine rechteckige Beschickungsöffnung – im Notfall kann die ganze Konsole abmontiert werden – sowie ein Karussell im Innern der Behälter. Zusammen ergeben diese Verbesserungen einen erleichterten Zugang zu den Proben sowie einen geringeren LN2-Verbrauch, da beim Be- und Entladen des Lagerbehälters ein geringerer Kontakt mit der Umgebung stattfindet. Das Karussell kann bei geschlossenem Behälter manuell gedreht werden. Dies ermöglicht es, die Racks so zu positionieren, dass die gewünschte Probe dem Nutzer zugewandt ist. Die Racks gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen für das Aufbewahren von Röhrchen, Phiolen, Boxen, Mikrotiterplatten oder Blutbeutel, um nur die wichtigsten Anwendungen zu nennen.

Sicherheit im automatischen Betrieb

Bild 4. Die neueste Version der Isothermal LN 2-Trocken-Lagerbehälter mit Karussell und kleiner Beschickungsöffnung

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Die Isothermal LN2-Tiefkühlgeräte von CBS sind mit einem Auto-Fill- und Überwachungssystem ausgestattet. Dieses kontrolliert das automatische Auffüllen des Flüssigstickstoffmantels und informiert den Nutzer über die Temperatur und den allgemeinen Status des Gefriergeräts. Dieses kann über verschiedene Systeme überwacht werden. Die folgenden Alarme sind integriert: • visuell, akustisch und Fehlalarm • hohes und niedriges Flüssigstickstoffniveau

Bild 5. Blick von oben auf die Racks im Innern eines LN 2-Gasphasen-Lagerbehälters

• Temperaturabweichungen • Unregelmässigkeiten an Sensoren und Ventilen • Flüssigstickstoffversorgung • Überlaufsensor (optional). Die Proben in den fahrbaren Gefriergeräten werden durch Schlösser an der Öffnung und am Bedienfeld gesichert. Kontakt Labtec Services AG Gewerbering 23 CH-5600 Wohlen Telefon 056 619 89 19 info@labtec-sevices www.labtec-services.ch

Labtec Services AG Biomedical, Pure Water und Kryotechnik bilden den Schwerpunkt der Labtec Services AG in Wohlen. • Im Bereich Biomedical werden Tiefkältegeräte, Inkubatoren und hochwertige Kühl- und Blutlagerschränke der Marke Panasonic Biomedical (vormals Sanyo) vertrieben. • Reinstwassergeräte der Marke Elga Labwater erfüllen höchste Ansprüche. Gepaart mit fachmännischer Betreuung bieten sie Gewähr, dass Wasser jederzeit in der erforderlichen Qualität zur Verfügung steht. • Für die technische Betreuung steht ein ausgebildeter Kundendienst inklusive Pikettdienst jederzeit zur Verfügung.

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VERFAHRENSTECHNIK

Struvit als Phosphatquelle

Pflanzendünger aus Abwasser Klärschlamm, Abwässer und Gülle sind wertvolle Quellen, aus denen sich Dünger für die Nahrungsmittelproduktion gewinnen lässt. Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben jetzt ein chemikalienfreies und umweltschonendes Verfahren entwickelt, mit dem rückgewonnene Salze direkt zu Dünger umgesetzt werden.

Bild: Fraunhofer IGB

Mobile Pilotanlage für Tests

Bild 1. Das aus Abwasser zurückgewonnene, hochwertige Düngemittel Struvit setzt Nährstoffe langsam frei.

Phosphor ist nicht nur für Pflanzen, sondern für alle Lebewesen wichtig. Doch das für die Nahrungsmittelproduktion unverzichtbare Element wird knapper. Ein Indiz dafür sind die stetig steigenden Preise für phosphathaltige Düngemittel. Höchste Zeit also, nach Alternativen zu suchen. Keine leichte Aufgabe – denn Phosphor lässt sich nicht durch einen anderen Stoff ersetzen. Eine Lösung haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart gefunden. Sie nutzen hierzulande vorhandene Ressourcen – und die finden sich in Abwässern von Klärwerken oder Gärresten von Biogasanlagen. Die vermeintliche Dreckbrühe lässt sich wiederverwerten. Dafür haben die Wissenschaftler um Jennifer Bilbao, die am IGB die Gruppe für Nährstoffmanagement leitet, ein neues Verfahren entwickelt. »Dabei werden Nährstoffe so gefällt, dass sie direkt als Dünger zur Verfügung stehen«, sagt Bilbao. 32

Kern der patentierten Methode, die die Experten derzeit in einer mobilen Pilotanlage erproben, ist ein elektrochemischer Prozess, mit dem per Elektrolyse Stickstoff und Phosphor als Ammoniummagnesiumphosphat – (NH4)Mg[PO4] • 6 H2O, auch als Struvit bekannt – ausgefällt werden. Struvit wird aus dem Prozesswasser in Form kleiner Kristalle ausgeschieden, womit es sich direkt als Pflanzendünger einsetzen lässt. Der Clou der Methode: Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren müssen die Forscher keine Salze oder Laugen zugeben. Bilbao: «Es handelt sich um einen komplett chemikalienfreien Prozess.» In der mannshohen Elektrolysezelle der Versuchsanlage, durch die das Abwasser geleitet wird, befinden sich eine Opferanode aus Magnesium und eine metallische Kathode. Im Verlauf der Elektrolyse wird an der Kathode das Wasser aufgespalten. Dabei werden unter anderem Hydroxidionen gebildet. An der Anode, findet eine Oxidation statt: Magnesiumionen wandern durch das Wasser und reagieren dabei mit dem in der Lösung enthaltenen Phosphat und Ammonium zu Struvit.

Stromsparender, chemikalienfreier Prozess Da die Magnesiumionen im Prozesswasser der Anlage besonders reaktionsfreudig sind, wird für dieses Verfahren sehr wenig Energie benötigt. Deshalb wird weniger Strom für die elektrochemische Aufspaltung gebraucht als bei üblichen Methoden. Bei allen bisher untersuchten Abwässern lag die erforderliche Leistung unter 70 Wattstunden pro Kubikmeter – ein äusserst niedriger Wert. Langzeitversuche zeigten

zudem, dass die Phosphorkonzentration im Reaktor der Pilotanlage um 99,7 Prozent auf unter 2 Milligramm pro Liter sinkt. Damit unterschritten die Forscher vom IGB den Grenzwert der (deutschen) Abwasserverordnung für Kläranlagen bis 100 000 Einwohner. «Kläranlagenbetreiber wären somit in der Lage, die Abwasserreinigung mit der lukrativen Düngemittelproduktion zu verbinden», benennt Bilbao den entscheidenden Vorteil. Struvit ist für die Landwirtschaft attraktiv, da es als hochwertiges Düngemittel gilt, das Nährstoffe langsam freisetzt. Wachstumsexperimente der Fraunhofer-Forscher bestätigten die Wirksamkeit: Ertrag und Nährstoffaufnahme der Pflanzen waren mit Struvit bis zu viermal höher als mit kommerziellen Mineraldüngern. In den nächsten Monaten wollen die Experten die mobile Pilotanlage in verschiedenen Kläranlagen testen, bevor sie diese gemeinsam mit Industriepartnern Anfang nächsten Jahres auf den Markt bringen. «Unser Verfahren eignet sich übrigens auch für die Lebensmittelindustrie und die landwirtschaftliche Biogasproduktion», so Bilbao. Einzige Bedingung: Deren Prozesswässer müssen reich an Ammonium und Phosphat sein. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

Kontakt M.Sc. Jennifer Bilbao Fraunhofer-Institut für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstrasse 12 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711 970-3646 9 /2012


LABOR

Intelligentes Polarimeter mit einem Herz aus Aluminium

■ Intelligenz: «In den Polarimetern der MCP-Serie werden intelligente Küvetten und Quarzkontrollstandards eingesetzt», so Bertram, «die drahtlose ToolmasterTechnologie transferiert automatisch alle relevanten Daten des angeschlossenen Zubehörs in das Polarimeter. Das spart viel Zeit, vermeidet Eingabefehler und macht es möglich, jede Änderung oder Abweichung zu 100 Prozent nachvollziehbar im Audit trail abzuspeichern, was wiederum die Einhaltung der Regularien des 21 CFR Part 11 unterstützt.» Wird eine Messzelle gewechselt, ein Instrument überprüft oder justiert, ist eine manuelle Dateneingabe ebenfalls nicht erforderlich. Eine weitere sehr nützliche Eigenschaft der Kreispolarimeter von Anton Paar – besonders für kritische Messungen: Sollte der Anwender eine für die Messmethode falsche Messzelle verwenden, so wird er dank der neuen Toolmaster-Technologie automatisch gewarnt und eine Durchführung der Messung ist nicht möglich. ■ Einblick: Um eine absolute Nachverfolgbarkeit der Messergebnisse und eine einfache Bedienbarkeit der Instrumente zu gewährleisten, wurden die Polarimeter der MCP-Serie mit der FillingCheck-Technologie ausgestattet. Bertram erläutert die Technologie: «Es ist nicht mehr notwendig, in die Messzelle zu blicken, um etwaige Füllfehler oder Blasen in der Probe zu erkennen. Eine eingebaute Kamera zeigt Live-Bilder der Probenbefüllung auf dem Instrumentendisplay. Der Anwender kann so frühzeitig Blasen, Inhomogenitäten oder Partikel in der Probe erkennen, die die Messergebnisse verfälschen können. Das Bild kann auf Wunsch zusammen mit dem Messergebnis abgespeichert werden.» ■ Aluminiumherz: Die Polarimeter der MCP-Serie zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit und Auflösung von bis zu 0,0001 °OR (optische Drehung) aus. Um diese Messgenauigkeit über den gesamten 9 /2012

Bild: Anton Paar

Was macht ein intelligentes Polarimeter aus? Wie beeinflusst es die Messung der optischen Drehung? Nils Bertram, Geschäftsführer der Anton Paar OptoTec GmbH, erklärt die Features, die auf dieser intelligenten Technologie basieren und in der MCP-Serie umgesetzt wurden.

Bild 1. Polarimeter der MCP-Rei.

Messbereich zu erreichen, sind alle optischen und elektronischen Komponenten auf eine solide und massive optische Bank aus Aluminium montiert. Denn Bertram weiss: «Selbst die genaueste Elektronik kann mechanische Stabilität nicht ersetzen. Unsere Polarimeter stehen für absolute Messgenauigkeit, selbst wenn sie transportiert wurden oder auf einer unebenen Fläche aufgestellt sind. Aus Stabilitätsgründen haben wir auf die Verwendung von Kunststoff für sensible Baugruppen verzichtet. ■ Temperatur: Ab sofort werden alle Polarimeter der MCP-Serie standardmässig mit leistungsfähigen Peltier-Elementen ausgerüstet. «Da die optische Drehung stark temperaturabhängig ist, muss eine hochpräzise Temperierung der Probe und Temperaturkontrolle gewährleistet sein. Sie möchten die gewählte Temperatur schnell erreichen, sie stabil halten und Temperaturgradienten in der Messzelle vermeiden? Die Polarimeter der MCP-Serie nutzen dafür Peltier-Elemente, die die Messzelle grossflächig umschliessen und so eine komplett konstante und homogene Kühlung und Erwärmung der zu messenden Probe erreichen», erklärt der Geschäftsführer. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass herkömmliche thermostatische Wasserbäder durch diese hochmoderne Technologie endgültig der Vergangenheit angehören. ■ Flexibilität: Das modulare Konzept macht jedes Polarimeter der MCP-Serie (MCP 200/300/500) extrem flexibel. Von Routi-

nebestimmungen der optischen und spezifischen Drehung bis hin zur Konzentrationsbestimmung, die Polarimeter bieten die richtige Kombination aus Messzelle und Wellenlänge. Und sie können jederzeit nachgerüstet werden, fügt Bertram hinzu: «Was auch immer Sie brauchen, unsere Polarimeter bieten Ihnen die richtige Lösung. Alle Modelle der MCP-Serie können mit bis zu sechs zusätzlichen Wellenlängen bestellt oder in einem späteren Stadium nachgerüstet werden. Alle Modelle der MCP-Serie lassen sich erweitern und an neue oder veränderte Anforderungen anpassen.» ■ Qualifizierung und Validierung: Die Polarimeter der MCP-Serie unterstützen den Benutzer bei der vollständigen Erfüllung von Regulatorien gemäss 21 CFR part 11. Für Kunden aus der pharmazeutischen Industrie bietet Anton Paar ein massgeschneidertes Pharmaqualifizierungs- und Pharmavalidierungspaket an. Denn «Zeit ist Geld. Mit dieser Dokumentation und einem Qualifizierungsexperten von Anton Paar ist das Polarimeter in ein bis zwei Tagen validiert und kann für die Applikation eingesetzt werden.» Kontakt Anton Paar Switzerland AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 16 80 info.ch@anton-paar.com www.anton-paar.com 33


A N A LY T I K

Einsatz der UPC²-MS-Kopplung

Methodenentwicklung chiraler Verbindungen Die Kopplung der überkritischen Flüssigkeitschromatografie mit der Massenspektrometrie bietet vielseitige Möglichkeiten hinsichtlich der Methodenentwicklung chiraler Verbindungen. Das Waters Acquity UPC²-MS-System eignet sich besonders für Labors, die enantioselektive Analysen, Enantiomerenüberschuss-Bestimmungen aus komplexen Mischungen sowie Impurity Profiling mit hohem Probendurchsatz durchführen wollen.

Chirlität spielt eine wichtige Rolle innerhalb des Medikamentenprofils, da Enantiomere sehr unterschiedliche biologische/pharmakologische/toxikologische Eigenschaften aufweisen können. Chiralitätsuntersuchungen werden deshalb typischerweise sehr früh in der Wirkstoffentwicklung durchgeführt. Aufgrund der überlegenen Auflösung und der hohen Trenngeschwindigkeit hat die SFC (Supercritical Fluid Chromatography) eine grosse Anwendungsbreite speziell im Bereich der chiralen Trennungen gefunden. Des Weiteren vermeidet die SFC den Umgang mit toxischen Lösungsmitteln wie Hexan und Chloroform, die typischerweise bei chiralen Analysen mittels Normalphasen-LC Verwendung finden. Chirale Mischungen enthalten oft viele strukturell verschiedene Stereoisomere mit unterschiedlichen Reinheitsgraden, typischerweise zwischen 70 und 90 Prozent. Aus diesem Grund sind kurze Analysenzeiten für die chirale Methodenentwicklung eine Hauptanforderung für die Produktivitätssteigerung. Zu diesem Zweck wurde UPC²-MS aufgrund der Spezifizität der

MS-Detektion vorgeschlagen, um die Methodenentwicklung chiraler Verbindungen zu beschleunigen. Auch wenn die MS-Detektion für Enantiomere keine Selektivität zeigt (da diese die gleiche Masse aufweisen) bietet es eine exakte Unterscheidung zwischen verschiedenen Enantiomeren und deren Verunreinigungen.

Die Lösung Eine Mischungen zweier chiraler Sulfoxide, Oxfendazol und Pantoprazol (0,2 mg/ml jeder Verbindung in Methanol), wurde analysiert. Tabelle 1 zeigt die dazu verwendeten experimentellen Parameter. Typischerweise beinhaltet chirale Methodenentwicklung mittels SFC ein Screening der Probe mit vielen unterschiedlichen Säulen und Eluenten unter Verwendung eines generischen Gradienten, ähnlich dem in Tabelle 1 beschriebenen. Der Probendurchsatz bei dieser Vorgehensweise lässt sich steigern, indem man parallel die Probe auf mehreren Säulen gleichzeitig analysiert [1]. Alternativ kann man auch mehrere Proben simultan mittels SFC/MS sreenen da die

Bild: Waters

Björn Degel, Waters GmbH

Bild 1. Mit dem UPC²-MS lässt sich die Methodenentwicklung chiraler Verbindungen beschleunigen.

Bild: Kurt Hermann, ChemieXtra

Enantiomere mittels «Extracted Ion Chromatograms» (XICs) unterschieden werden können [2], wie auch in dieser Applikation dargestellt.

Bild 2. Chemische Strukturen von Oxfendazol und Pantoprazol

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Bild 2 zeigt die Strukturen von Oxfendazol und Pantoprazol, Bild 3 die UPC²-Chromatogramme der chiralen Paare jeder Verbindung. Für beide Enantiomerenpaare wurde eine Basislinientrennung erreicht, was zeigt, dass die IC-Säule und Methanol sowohl die geeignete stationäre Phase als auch das 9 /2012


A N A LY T I K

Gezeigt wurde die Vereinfachung der Methodenentwicklung chiraler Verbindungen durch die Kopplung eines MS-Detektors an das Waters Acquity UltraPerformance Convergence Chromatography-System. Die Spezifizität der MS-Detektion ermöglicht das simultane Screening einer Mischung aus zwei Enantiomeren unterschiedlicher Molmasse. Die Methode ermöglicht eine einfache Identifizierung der Verbindungen mittels XIC durch Kenntnis der Molmasse. Der Durchsatz konnte durch diesen Ansatz im Vergleich zu herkömmlichem SFC-UVScreening verdoppelt werden. Das Waters Acquity UPC²-MS-System eignet sich hervorragend für Labors, die enantioselektive Analysen, Enantiomerenüberschuss-Bestimmmung aus komplexen Mischungen sowie Impurity Profiling mit hohem Probendurchsatz durchführen wollen. Quelle: Nachdruck aus GIT Spezial – Separation 1/2012, Seiten 14–15

geeignete Co-Solvent sind. Die Kenntnis der Molmasse ermöglicht eine einfache Identifizierung der Verbindungen mittels XIC. Die Retentionszeiten der beiden Verbindungen kann für nachfolgende Methodenoptimierungen genutzt werden. Der

Kontakt Waters AG Täfernstrasse 4 CH-5405 Baden-Dättwil Telefon +41 (0)56 676 70 00 waters_schweiz@waters.com www.waters.com

Bild: Waters

Bild 3. UPC² Chromatogramme von Oxfendazol, Pantoprazol und deren Mischung

Originalpublikationen [1] LCGC Europe, Application Book, Dec. 24–25 (2009). [2] Journal of Chromatography A 100, 157–166 (2003).

Probendurchsatz konnte mit diesem Ansatz im Vergleich zu traditionellem SFC-UVScreening verdoppelt werden, da herkömmlich jeweils nur eine einzelne Verbindung mit einem bestimmten chromatografischen Methodensatz gescreent wird.

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MEDIZIN/PHARMA

Therapie ohne Antibiotika

Toxine statt Bakterien bekämpfen ETH-Forscher haben einen neuen Wirkstoff gegen ein krankmachendes Darmbakterium entwickelt. Anders als herkömmliche Therapien zielt ihre Behandlung nicht auf das Bakterium selbst, sondern auf das Gift, das dieses absondert. Der grosse Vorteil: Der neue Ansatz kommt ohne Antibiotika aus. Das Patent ist eingereicht.

Das Bakterium Clostridium difficile verursacht Durchfall und teilweise schwere Darmentzündungen. Oft tritt es nach Antibiotikabehandlungen auf, die als Nebeneffekt auch die normale, schützende Darmflora der Patienten ausradieren. Heute tritt der Krankheitserreger meist in Spitälern auf, beginnt jedoch, sich auch ausserhalb auszubreiten. Seine robusten Sporen überleben die üblichen Desinfektionsmittel. In den USA erkranken jährlich bereits rund eine halbe Million Menschen an diesem Erreger, bis zu 20 000 Menschen sterben daran. Am stärksten betroffen sind ältere Menschen. Clostridium difficile verursacht jährliche Gesundheitskosten von mehr als vier Milliarden US-Dollar.

Toxin statt Erreger bekämpfen Gefährlich an Clostridium difficile ist das Gift, das es absondert. Dieses dringt in die Zellen der Darmwand ein und beschädigt oder zerstört sie. Das einzige Mittel gegen diese Krankheit sind wiederum Antibiotika. Die Therapie ist allerdings nicht in jedem Fall erfolgreich, da bereits resistente Stämme zirkulieren. Oft kehrt die Infektion nach vorerst erfolgreicher Therapie wieder zurück. ETH Wissenschaftler der Forschungsgruppe Drug Formulation and Delivery von JeanChristophe Leroux am Institut für Pharmazeutische Wissenschaften haben einen neuen, cleveren Therapieansatz gegen das aggressive Bakterium entwickelt: Sie bekämpfen nicht das Bakterium, sondern sein Toxin. Dank neuerer Forschungsergebnisse wussten die Forscher, dass das Bakteriengift, ein grosses Protein, aus zwei Untereinheiten besteht. Der erste Teil funktioniert, wie 36

Gruppenleiter Bastien Castagner anschaulich erklärt, als Trägerrakete, die den zweiten Teil, den Sprengkopf, in eine Zelle der Darmwand hinein befördert. Dort trennen sich die beiden. Der Sprengkopf schädigt die Zellen von innen. Die Forscher haben kleine Moleküle entwickelt, die die beiden Toxin-Untereinheiten dazu bringen, sich voneinander zu trennen, solange sich beide Teile ausserhalb der Darmzelle befinden. So kann der Sprengkopf nicht in die Zellen gelangen.

Durchdacht designtes Molekül Das neue Heilmittel wird oral verabreicht. Der Wirkstoff passiert den Verdauungstrakt, macht im Darm die Bakterientoxine unschädlich und verlässt den Körper wieder. In den Körper und seine Zellen hinein gelangt es nicht. Dafür haben die Forscher für einmal sämtliche Vorzeichen geändert. Denn normalerweise, erklären Leroux und Castagner, gehe es bei ihrer Arbeit darum, die Wirkstoffe optimal in den Körper hinein zu schleusen. Diesmal aber haben sie alles dafür getan, die Moleküle so zu gestalten, dass sie eben nicht dorthin gelangen. Da das Medikament nicht vom Körper aufgenommen werde, seien auch keine Nebenwirkungen zu erwarten. Auch Resistenzen der Bakterien gegen das neue Mittel, wie sie bei vielen Antibiotika auftreten, erwarten die Forscher nicht. Denn weil das Medikament nicht das Bakterium selbst angreift, haben allfällig resistente Bakterien keinen Überlebensvorteil. Der neue Wirkstoff wird zudem viel schneller wirken als ein Antibiotikum, welches wohl den Erreger abtötet, das Gift aber wirksam belässt. Fällt das Gift weg, können sich die Darmzellen erholen und die natürliche Darmflora kann sich wieder etablieren. Sie verdrängt den ohne sein Gift nicht konkur-

Bild: Janice Carr/CDC

Maja Schaffner

Bild 1. Das Bakterium Clostridium difficile sondert ein Toxin ab, das Darmzellen schwer schädigt.

renzfähigen Erreger. Die Forscher denken, dass es auch möglich wäre, das neue Mittel präventiv zu verabreichen. Leider ist der Ansatz nicht direkt auf andere Bakterientoxine übertragbar, da jedes seine eigenen, spezifischen Mechanismen hat, mit dem es seinen Wirt schädigt. Das Prinzip, die Toxine statt den Erreger anzugreifen, könnte aber durchaus Schule machen, hoffen die Forscher. Generell ersetzt werden können Antibiotika durch diese Art von Medikamenten allerdings nicht.

Viel Forschung nötig bis zur Marktreife Der Ansatz ist raffiniert und relativ einfach, betonen die Forscher. Die Vorteile sind überzeugend, das Patent mit Unterstützung von ETH transfer eingereicht. Leroux, der schon einige Patente angemeldet hat, hat bei diesem Wirkstoff ein gutes Gefühl. Marjan Kraak, die die Forscher bei ETH transfer bei der Vermarktung der Technologie betreut, sagt, dass ein erstes Feedback von der Industrie sehr positiv sei. Für eine Prognose, ob es der Wirkstoff zur Marktreife 9 /2012


MEDIZIN/PHARMA

schaffen wird, ist es zu diesem Zeitpunkt aber noch zu früh. Auf jedem Fall wartet noch einige Arbeit auf die Forscher. Das Wirkstoffmolekül muss optimiert werden. Auch der Praxistest steht aus. Die Forscher konnten zwar unter Laborbedingungen zeigen, dass ihr Molekül die zwei Komponenten des Toxins wirksam voneinander trennt. Nun werden sie zeigen

müssen, dass der Mechanismus auch im Verdauungstrakt von Lebewesen funktioniert. Ihre Erfindung hat den Forschern immerhin eine Nominierung für den von ETH transfer 2012 erstmals verliehenen Spark Award eingebracht. Doktorand Mattias Ivarsson überzeugte mit der Erfindung und der zu-

gehörigen Geschäftsidee auch die Expertenjury beim Jungunternehmerwettbewerb «Venture Kick» und schaffte es in die zweite Runde. Potenzial ist auf jeden Fall da. Wie es mit dem neuen Wirkstoff weitergehen wird, entscheiden vor allem die Forschungsresultate der nächsten Monate. Quelle: ETH Life vom 23. Juli 2012

Pharmamarkt Schweiz 2012

Bedeutender Standort für Pharmaforschung Die Interpharma-Firmen haben in der Schweiz im Jahr 2011 mehr als sechs Milliarden Franken für Pharmaforschung ausgegeben. Damit überstiegen die Investitionen in Forschung und Entwicklung den Umsatz in der Schweiz um das Fünffache. Diese und weitere Informationen sind in der 19. Auflage des statistischen Standardwerks «Pharma-Markt Schweiz 2012» zu finden.

lung (F&E) aufgewendet. Damit betrugen ihre Investitionen in F&E über fünfmal so viel, wie sie in der Schweiz Umsatz erzielten. Die Schweiz ist somit nicht nur ein wichtiger Produktionsstandort, sondern auch ein bedeutender Forschungsstandort.

Leichter Rückgang bei Pharmaexporten

Im Jahr 2011 haben die Interpharma-Firmen Actelion, Merck Serono, Novartis, Roche, Amgen, Bayer Healthcare Pharmaceuticals, Boehringer Ingelheim, Janssen-Cilag, UCB und Vifor Pharma in der Schweiz 6129 Millionen Franken für Forschung und Entwick9 /2012

Der starke Schweizer Franken und die eingetrübte globale Konjunktur haben im Jahr 2011 ihre Spuren auch bei den Exporten der Pharmaindustrie hinterlassen. Gegenüber dem Vorjahr nahmen die Exporte leicht ab, beliefen sich aber immer noch auf über 60 Milliarden Franken. Sie machten damit fast ein Drittel des Exportvolumens der Schweiz aus. Die Schweiz ist weltweit das Land mit dem grössten Exportüberschuss pharmazeutischer Produkte. Der wichtigste Exportmarkt für pharmazeutische Produkte ist weiterhin Europa, zunehmend wächst auch der Markt in den Schwellenländern. Der Medikamentenmarkt Schweiz nahm 2011 im Vergleich zum Vorjahr von 4.82 Milliarden Franken um 0,7 Prozent auf 4.86

Milliarden Franken zu. Während es 2010 erstmals seit der Erfassung von Marktdaten zu einem Rückgang im Medikamentenmarkt kam, wuchs der Medikamentenmarkt im vergangenen Jahr wieder schwach. Dies zeigt, dass die verschiedenen umgesetzten Sparmassnahmen nachhaltig wirken. Für die kommenden drei Jahre wird als Folge von Preissenkungen trotz Einführung neuer, innovativer Medikamente mit einer Stagnation oder einer Schrumpfung des Medikamentenumsatzes gerechnet. Die Broschüre kann als Publikation oder als CD-ROM gratis 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 37


MEDIZIN/PHARMA

Leuchtende Tumoren

Krebsdiagnostik: neues optisches Verfahren

Bild: PTB

Sie machen weisse Wäsche weisser: Leuchtstoffe. Es gibt sie in jedem Haushalt. Auch der Energiesparlampe verhelfen sie zu weisserem Licht. Dazu nehmen sie Strahlung auf und geben sie auf niedrigerem Energieniveau wieder ab. So wird zum Beispiel aus UV-Licht weisses Licht zur Beleuchtung unserer Wohnstube. Fluoreszenz heisst dieses Phänomen. Auch im menschlichen Körper gibt es fluoreszierende Substanzen. Mit einem in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelten Messverfahren ist es jetzt gelungen, die Anreicherung eines solchen körpereigenen Leuchtstoffs in Krebszellen auszulösen und diese damit zum Leuchten zu bringen.

Bild 1. Prinzip des neuen Tumorbildgebungsverfahrens: Die siRNA schaltet des Enzym FECH ab und verhindert so die Umwandlung von PpIX zu Hämoglobin. Die Fluoreszenz von PpIX, das sich in Tumorgewebe anreichert, ist messbar und kann durch ein spezielles Anregungsverfahren für die Bildgebung genutzt werden.

Er kann Tumoren sichtbar machen: Der körpereigene Leuchtstoff Protoporphyrin IX (PpIX), ein Zwischenprodukt bei der Produktion des Blutfarbstoffs Hämoglobin (Bild 1). Für die Krebsdiagnostik ist PpIX besonders interessant, weil es sich in Tumorgewebe anreichert. Allerdings hat der Stoff im Körper nur eine kurze Lebenszeit. Viel zu schnell wandelt das Enzym Ferrochelatase (FECH) ihn in Hämoglobin um, so dass er seine Fluoreszenz verliert. Die Lösung des Problems liegt in der Hemmung der FECH, und es gibt einen Mechanismus, der dies ermöglicht: Kurze RNA-Doppelstränge (siRNA, short interfering RNA) sind in der Lage, selektiv das Ablesen von Genen zu unterbinden. Im Inneren von Zellen kann siRNA auf diese Weise FECH abschalten 38

– Sand im Getriebe der Hämoglobinproduktion. Die Frage ist nur: Wie gelangt siRNA in die Zelle?

siRNA in Tumorzellen von Nacktmäusen eingebracht Wissenschaftler der Charité und der Freien Universität Berlin haben «Nanofähren» entwickelt (Folat-PEG kationische Lipoplexe sowie dendritische polyglyceroamine Nanopartikel), die den Transport von Wirkstoffen durch Zellmembranen ins Zellinnere ermöglichen. Mithilfe solcher neuartiger Trägersysteme konnten sie siRNA in Tumorzellen von Nacktmäusen einbringen. Dass all dies auch wirklich funktioniert, wiesen die Messexperten der PTB in Berlin-

Charlottenburg nach. Dafür nutzten sie eine besondere Eigenschaft von PpIX: seine Abklingzeit von 16 Nanosekunden. Das ist die Zeit, die der Stoff nach der Anregung durch Bestrahlung leuchtet. Nur der Bruchteil eines Wimpernschlags, aber doch deutlich länger als die Abklingzeiten anderer Leuchtstoffe im Gewebe. Durch eine gepulste Anregung der Fluoreszenz und die Verwendung intensivierter Kameras ist eine Unterdrückung des Hintergrunds und die Messung der PpIX-Konzentration möglich. So wird der Tumor auf dem Computermonitor sichtbar. Den Weg von siRNA durch den Körper und in die Zellen zu verfolgen war bisher schwierig und erforderte verschiedene zeitaufwendige und komplizierte Analyseverfahren. Über den Leuchtstoff PpIX und das Messverfahren der PTB ist dies erstmals auf einfache und schnelle Weise möglich. Quelle: PTB Originalpublikation Kayiu Wan, Bernd Ebert, Jan Voigt, Qing Wang, et al., «In vivo tumor imaging using a novel RNAi-based detection mechanism», Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 8 [4], 393–398 (2012). Kontakt Dr. Bernd Ebert Physikalisch-Technische Bundesanstalt Arbeitsgruppe 8.31 Abbestrasse 2–12 D-10587 Berlin-Charlottenburg Telefon +49 (0)30 3481 7384 bernd.ebert@ptb.de www.ptb.de 9 /2012


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Bild: Mar vin Siefke/pixelio.de

Bild 1. Mit einem Messsystem auf Basis von Ethylensensorik lässt sich der Reifungsgrad von Früchten feststellen.

Ethylenproduktion als Reifeindikator

Innovative Sensoren für frische Früchte Wie reif Früchte sind, lässt sich bestimmen – auch ohne hineinzubeissen. Dies verrät Ethylen, das je nach Reifegrad unterschiedlich stark als Stoffwechselprodukt ausströmt. Im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) wurde in einem Projekt der Deutschen Forschungsvereinigung für Mess-, Regelungs- und Systemtechnik e. V. (DFMRS, Bremen) ein Messsystem auf Basis von Ethylensensorik entwickelt, das den Reifungsgrad der Früchte überwacht.

Stoffwechsel findet in Früchten nach der Ernte weiterhin statt und je nach Obstsorte und Reifegrad werden unterschiedliche Mengen an gasförmigem Ethylen erzeugt. Während die Frucht heranreift, steigt die Ethylenproduktion stark an, das Maximum wird mit dem idealen Reifezustand erreicht, bevor es dann zu Überreife und Absenkung der Ethylenmenge kommt. Damit eignet sich das Gas besonders gut als Indikator für den Reifegrad von Obst. Darüber hinaus ist es ein Vorteil, die Ethylenkonzentration in der Umgebung gut zu kennen, denn das Gas wirkt auf die Früchte wie ein Reifehormon. So kann es beim Transport oder Lagern zu einer Art Kettenreaktion führen, wenn erste Früchte den maximalen Reifezustand erreichen und damit den Reifeprozess der gesamten Ladung beschleunigen. Dann sind Verluste 40

beispielsweise beim Strassentransport von bis zu 20 000 Euro möglich. 2011 wurden weltweit etwa 725 Millionen Tonnen Obst geerntet, die zum Endverbraucher transportiert werden mussten. Entsprechend gross dürfte das Interesse an einem Messund Warngerät in Unternehmen der Fruchtlogistik sein – vorausgesetzt das KostenNutzen-Verhältnis stimmt. Das ist bei den bisherigen Systemen nicht der Fall, da es hier um Konzentrationsmengen im ppb (parts per million)-Bereich geht und diese bis dato nur mit aufwendigen und teuren Geräten in Laboren nachgewiesen werden. «Solche genauen Anforderungen aus der Wirtschaft zu kennen, ist für die Wissenschaft sehr hilfreich – nur so entstehen Innovationen, die sich auf dem Markt auch durchsetzen können», sagt Walter Lang vom

Friedrich Wilhelm Bessel Institut Forschungsgesellschaft mbH (Bremen), wo die Entwicklung stattgefunden hat. «So haben wir beispielsweise bei der Materialauswahl auf die Kosten und die Festigkeit geachtet und einen möglichst einfachen Aufbau angestrebt, um am Ende ein langlebiges und wartungsarmes System zu haben.» «Jetzt sind die Unternehmen der Messtechnik an der Reihe, die Forschungsergebnisse in marktfähige Systeme umzusetzen, sagt Dirk Dreyer, Geschäftsführer der DFMRS, die zu den rund 100 Forschungsvereinigungen der AiF, der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen «Otto von Guericke» e. V gehört. «Dabei sind diese nicht nur für Obsttransporte interessant, sondern auch für weitere Bereiche in der Lebensmitteltechnik. Und wie das in der 9 /2012


ERNÄHRUNG

Industriellen Gemeinschaftsforschung häufig der Fall ist, werden auch hier in anderen Disziplinen Anwendungen erwartet, beispielsweise in der Umwelt-, Verfahrens- oder in der chemischen Technik.» Quelle: AiF Kontakt Bernd Hillers Deutsche Forschungsvereinigung für Mess-, Regelungs- und Systemtechnik e. V. Postfach 10 63 64, D-28063 Bremen Telefon +49 (0)421 21 86 24 33 hillers@dfmrs.de, www.dfmrs.de

Sind Lebensmittelverpackungen Giftschleudern? Im Ende Juni erschienenen Heft der Zeitschrift «Tabula» der Schweizerischen Gesellschaft für Ernährung SGE wird aufgezeigt: In den Verpackungen von Lebensmitteln stecken Tausende noch unerforschte, potenziell giftige Stoffe. Über die Nahrung finden Sie den Weg in unseren Körper. Den meisten Konsumenten ist wohl nicht bewusst, dass die Verpackung zwar das Lebensmittel vor Verderb, Verschmutzung und Aromaverlusten schützt, dass sie aber auch in Wechselwirkung mit dem Inhalt steht, also dem Lebensmittel oder Getränk. Schätzungsweise 100 000 verschiedene Substanzen gehen aus Verpackungsmaterialien in Nahrungsmittel über, in Mengen, die toxikologisch relevant sein könnten. Selbst wenn «nur» ein Prozent aller Stoffe gesundheitliche Schäden verursachen würde, so wären dies noch immer etwa 1000 Substanzen. Das bedeutet, dass die mengenmässige Verunreinigung durch Stoffe aus Verpackungsmaterialien im Schnitt rund hundertmal grösser ist als diejenige durch Rückstände von Pflanzenschutzmitteln. Dazu kommt, dass die betreffenden Stoffe toxikologisch schlechter abgesichert sind. Dabei ist die Rechtslage eindeutig. Doch die Vorgaben werden regelmässig nicht eingehalten. Das zeigen Untersuchungen aus der Schweiz und dem nahen Ausland. Immer wieder finden Überwachungsbehörden Rückstände aus Verpackungen in den Lebensmitteln, und zwar in Mengen, welche die gesetzlichen Grenzwerte bei Weitem überschreiten – oder dann sind es solche, die in der Verpackung gar nicht erst vorhanden sein dürften. Dabei nicht mit eingerechnet sind all die anderen Substanzen, um die sich bisher niemand kümmerte.

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WERKSTOFFE

Dreidimensionales Netzwerk aus Kohlenstoffröhrchen

Aerographit, das leichteste Material der Welt Ein Netzwerk aus porösen Kohlenstoffröhrchen, die dreidimensional auf Nano- und Mikroebene ineinander verwachsen sind – das ist das leichteste Material der Welt. Mit 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter ist seine Dichte 75-mal geringer als diejenige von Styropor und hält trotzdem eine Menge aus. Getauft haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) ihre gemeinsame Entwicklung auf den Namen «Aerographit».

Claudia Eulitz Es ist pechschwarz, stabil, elektrisch leitfähig, verformbar und undurchsichtig – mit seinen einzigartigen Eigenschaften und seiner geringen Dichte hängt das Kohlenstoffmaterial Aerographit alle Konkurrenten ab. «Unsere Entwicklung löst in Wissenschaftskreisen rege Diskussionen aus. Das Aerographit ist mehr als viermal leichter als der bisherige Weltrekordhalter», freut sich Matthias Mecklenburg, Doktorand an der TUHH.

Das schwärzeste Schwarz Trotz des niedrigen Gewichts ist Aerographit sehr belastbar. Während leichtgewichtige Materialien üblicherweise Druck aber nicht Zug aushalten können, zeichnet sich Aerographit durch hervorragende Stabilität bei Druck- und Zugbelastung aus. So lässt es sich um bis zu 95 Prozent komprimieren und wieder in die ursprüngliche Form auseinander ziehen, sagt der Kieler Professor Rainer Adelung: «Dabei wird das Aerographit bis zu einem bestimmten Grad sogar fester und damit stärker als vorher.» Andere Materialien würden durch derartige Belastungen zunehmend schwächer und instabiler werden. «Ausserdem absorbiert

das Material fast vollständig Lichtstrahlen. Man könnte sagen, es erzeugt das schwärzeste Schwarz», ergänzt der Hamburger Professor Karl Schulte.

Die Herstellung «Man kann sich das Aerographit wie ein schnell wachsendes Efeugeflecht vorstellen, das sich um einen Baum windet, wobei der Baum selbst entfernt wird», erklärt Adelung den Herstellungsprozess. Der Baum ist ein sogenanntes «Opfertemplat», also das Mittel zum Zweck. Das CAU-Team nutzte für die Herstellung des Templats ein pulverförmiges Zinkoxid. Dieses brachten sie durch Erhitzen in einem 900 Grad Celsius heissen Ofen in eine kristalline Form. In der weiteren Bearbeitung stellen die Kieler Materialwissenschaftler eine Art Tablette her. In ihr bildet das fertige Zinkoxid Mikro- und Nanostrukturen aus, genannt Tetrapoden (Bild 1), die sich gegenseitig

Bild: CAU

Bild: TUHH

Das vor einem halben Jahr vorgestellte Nickelmaterial, das bis zu der aktuellen Publikation als leichtestes Material galt, bestand zwar ebenfalls aus einem winzigen Röhrensystem. Allerdings hat Nickel von vornherein eine höhere Atommasse. «Wir können dazu noch Röhren herstellen, die aus porösen Wänden bestehen, und dadurch extrem leicht sind», ergänzt Arnim Schuchardt, Dok-

torand an der CAU. Die atomare Struktur des Materials konnten die Kieler Analytiker Lorenz Kienle und Andriy Lotnyk am Transmissionselektronenmikroskop (TEM) entschlüsseln.

Bild 1. Die Tetrapoden des Zinkoxids bilden die ideale Basis für das robuste Material Aerographit.

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Bild 2. Im Reaktor bei Temperaturen über 760 °C entweichen gasförmiger Zink und Wasserdampf. In den dunklen Bereichen ist noch Zinkoxid zu erkennen. Zurück bleibt die graphitische Hülle (helle Bereiche).

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WERKSTOFFE MANCHMAL MUSS MAN EINFACH DRUCK MACHEN, UM BESTEHEN ZU KĂ&#x2013;NNEN

Bild: TUHH

eingesetzt werden muss, was zu einer wichtigen Gewichtsreduktion bei den Batterien fĂźhren soll. EinsatzmĂśglichkeiten fĂźr diese kleineren Batterien kĂśnnen Elektroautos oder E-Bikes sein. Damit trägt das Material unter anderem zur Entwicklung umweltfreundlicher Transportmittel bei. Weitere Anwendungen sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darin, mithilfe Bild 3. Die Abbildung zeigt einen elektronenmikroskopischen des Aerographits nichtleitfähiAusschnitt des leichtesten Materials der Welt: Aerographit. ge Kunststoffe elektrisch leitOffene KohlenstoffrĂśhren bilden ein feines Netz und ermĂśg- fähig zu machen, ohne, dass lichen so eine geringe Dichte von bis zu 0,2 Milligramm pro diese an Gewicht zunehmen. Kubikzentimeter. Damit liessen sich statische durchdringen und damit die einzelnen Par- Aufladungen, die man aus dem Alltag kennt, tikel zu der porĂśsen Tablette fest verbinden. vermeiden. Die Tetrapoden sind das Netzwerk, auf dessen Basis das Aerographit entsteht. Die Zahl zusätzlicher AnwendungsmĂśglichIm nächsten Schritt kommt das tabletten- keiten fĂźr das zurzeit leichteste Material der fĂśrmige Material in den 760 Grad Celsius Welt ist nur durch die Vorstellungskraft der heissen Reaktor zur chemischen Gaspha- Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler senabscheidung an der TUHH. ÂŤIn einer begrenzt. Bereits nach dem Bekanntwerden strĂśmenden, mit Kohlenstoff angereicher- des Aerographits sprĂźhten auch bei Kolleten Gasphase wird das Zinkoxid von einer ginnen und Kollegen unterschiedlichster nur wenige Atomlagen dicken Graphit- Fachbereiche die Ideen. So wird ein Einsatz schicht ummantelt, wodurch die verwach- in Luftfahrt- und Sattelitenelektronik in Ersene Netzwerkstruktur des Aerographit wägung gezogen, denn diese muss besongebildet wird. Der gleichzeitig zugefĂźhrte ders grosse Vibrationen aushalten kĂśnnen. Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff Oder auch in der Wasserreinigung verspricht des Zinkoxids. Wasserdampf und Zink ent- das Material grosses Potenzial. Es kĂśnnte weichen als GasÂť, sagt Schulte. Ă&#x153;brig bleibt als Sorptionsmittel fĂźr persistente Wasserdie typisch vernetzte und rĂśhrenfĂśrmige schadstoffe diese elektrochemisch oxidieKohlenstoffstruktur. Mecklenburg sagt: ÂŤJe ren, also zersetzen, und so abbauen. Dabei schneller wir das Zink in unserem Prozess kämen die Vorteile des Aerographits, nämherausholen, desto lĂśchriger sind die Wän- lich mechanische Stabilität, elektrische Leitde der RĂśhren und desto leichter wird das fähigkeit und hohe Oberfläche zum Tragen. Material. Es gibt da noch viel Spielraum.Âť Diese Vorteile sind auch nĂźtzlich bei der Und Schuchardt ergänzt: ÂŤDas SchĂśne ist, mĂśglichen Reinigung von Aussenluft fĂźr dass wir ganz gezielt die Aerographit-Eigen- Inkubatoren oder Beatmungsgeräten. schaften beeinflussen kĂśnnen: Die Form der Template hier in Kiel und den AbscheiQuelle: Kieler Universität/ dungsprozess in Hamburg stimmen wir TU Hamburg-Harburg ständig aufeinander ab.Âť

Die Anwendung Dank der besonderen Materialeigenschaften des Aerographits kĂśnnte es beispielsweise in Lithium-Ionen-Batterien ideal angepasst werden. Das heisst, dass nur noch eine minimale Menge Batterieelektrolyt 9 /2012

Originalpublikation Matthias Mecklenburg et al., ÂŤAerographite: Ultra Lightweight, Flexible Nanowall, Carbon Microtube Material with Outstanding Mechanical PerformanceÂť, Advanced Materials 24, 3486â&#x20AC;&#x201C;3490 (2012).

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WERKSTOFFE

Leistungsfähige integrierte Schaltkreise

Graphen-Siliciumcarbid-Transistoren Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus Graphen und Siliciumcarbid leistungsfähige integrierte Schaltkreise herstellen lassen. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift «Nature Communications» publiziert. gen sie einen anderen Weg als die meisten ihrer internationalen Kollegen: «Wir verwenden ebenfalls Siliciumcarbid als Trägermaterial für das Graphenwachstum – allerdings nicht als isolierende, sondern als leitfähige Schichtstruktur», erklärt Weber. «Das heisst, wir nutzen die Eigenschaften beider Materialien für elektronische Prozesse.» Durch geschickte Strukturierung und Behandlung mit Wasserstoff können die Erlanger Physiker die Grenzfläche zwischen Graphen und Siliciumcarbid so manipulieren, dass ein Transistor entsteht, der exzellente Schalteigenschaften hat und zudem noch schnell ist. «Das Herausragende ist aber, dass der Transistor lediglich aus zwei Materialien besteht, die sehr robust sind», sagt Weber. «Diese Technik ist nicht nur für den Bau einzelner Transistoren, sondern auch für die Entwicklung komplexer Schaltkreise geeignet.» An der weiteren Verfeinerung des Verfahrens arbeiten Heiko Weber und sein Team im Rahmen des Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials (www.eam.unierlangen.de) und des Sonderforschungsbereichs 953 der Deutschen 061 319 93 93 Forschungsgemein061 319 93 94 schaft an der FAU. office@kuhner.com

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Quelle: FAU 44

Bild: J. Jobst, S. Her tel

Graphen ist eine Graphitschicht mit der Dicke einer einzigen Atomlage. Das Material hat aussergewöhnliche Eigenschaften, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt sehen darin grosses Potenzial für die Elektronik. Bereits 2009 haben Erlanger Wissenschaftler das Verfahren zur grossflächigen Herstellung von Graphen auf einer Siliciumcarbidschicht entwickelt – allerdings ist es bisher nicht gelungen, leistungsfähige Transistoren mit guten Schalteigenschaften aus Graphen zu entwickeln. Genau das haben Heiko Weber vom Lehrstuhl für Angewandte Physik der FAU und seine Mitarbeiter nun geschafft. Dabei gin-

Bild 1. Das auf einem Siliciumcarbidkristall gewachsene Graphen wird in Leiterbahnen strukturiert und teilweise mit Wasserstoff behandelt. Dadurch wird erreicht, dass Strom (im Bild: blaue Elektronen) über GraphenKontakte (schwarz) in den Siliciumcarbidkristall fliesst und durch wasserstoffbehandelte Graphenkontakte (rot/gelb) kontrolliert werden kann.

Originalpublikation S. Hertel et al., «Tailoring the graphene/ silicon carbide interface for monolithic wafer-scale electronics», Nature Communications 3, Article number 957 (2012). Das Manuskript hat Open-Access-Status und ist frei im Internet verfügbar (dx.doi. org/10.1038/ncomms1955). Kontakt Prof. Dr. Heiko Weber Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Angewandte Physik Staudtstrasse 7, D-91058 Erlangen Telefon +49 (0)9131 85 28421 heiko.weber@physik.uni-erlangen.de www.lap.physik.uni-erlangen.de 9 /2012


WERKSTOFFE

Polymere Halbleiter

Grundlagenforschung zu organischen Solarzellen Wenn es um die effiziente und kostengünstige Erzeugung von Solarstrom geht, sind organische Solarzellen aus Kunststoff eine vielversprechende Alternative zu klassischen Siliciumzellen. Für ihre Forschungsarbeiten auf diesem noch jungen Gebiet der Fotovoltaik hat Ruth Lohwasser, Universität Bayreuth, kürzlich den ersten Preis bei den renommierten DSM Science & Technology Awards erhalten. In ihrer preisgekrönten Dissertation entwickelt sie materialwissenschaftliche Grundlagen für polymere Halbleiter und deren Strukturierung auf der Nanoskala, also in einer Grössenordnung bis zu 100 Nanometern.

Das Ziel der Forschungsarbeiten von Ruth Lohwasser ist es, die Eigenschaften der als Halbleiter verwendeten Kunststoffe und die Funktionsweise der daraus gefertigten Solarzellen möglichst genau zu verstehen. Auf dieser materialwissenschaftlichen Basis lassen sich voraussichtlich neue Technologien entwickeln, die imstande sind, einen hohen Anteil des Sonnenlichts in elektrischen Strom umzuwandeln. Zugleich bietet sich die Chance, kostengünstige Solarzellen in einfachen Druckverfahren herzustellen. Denn polymere Halbleiter sind gut löslich und lassen sich aus Lösung verarbeiten. Organische Solarzellen sollen in der Lage sein, möglichst viel Lichtenergie zu absorbieren und eine möglichst grosse Menge davon als elektrischen Strom nach aussen abzugeben. Wie lässt sich dieses Ziel mit

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polymeren Halbleitern erreichen? «Insbesondere dadurch, dass für den Transport von Elektronen und Löchern innerhalb der Solarzelle viele Bahnen bereitstehen», erläutert Lohwasser. «Elektronen sind negative Ladungsträger, als ‹Löcher› oder ‹Defektelektronen› werden die positiven Ladungsträger bezeichnet. Die Bahnen, auf denen diese gegensätzlichen Ladungen transportiert werden, müssen in Abständen von wenigen Nanometern verlaufen. So ist gewährleistet, dass die durch Lichtenergie angeregten Elektronen einen Stromkreislauf in Gang setzen.» Die Bayreuther Chemikerin hat sich deshalb auf die Suche nach Materialien begeben, die in der geforderten Weise strukturiert werden können. Die Strukturierung muss bereits auf der Nanoskala erfolgen. Denn

an Grenzflächen in dieser Grössenordnung trennen sich, sobald Lichtenergie absorbiert wird, negative und positive Ladungen – eine Voraussetzung dafür, dass Strom fliessen kann. Je präziser sich also die Materialien auf der Nanoskala strukturieren lassen, desto genauer kann die Erzeugung von Elektronen und Löchern gesteuert werden. Und desto genauer lassen sich auch die Eigenschaften der Transportbahnen einstellen, auf denen diese Ladungen zu den Elektroden der Solarzelle weitergeleitet werden. Welche Materialien erlauben eine derartige Feinstrukturierung? Als Mitglied eines Forschungsteams um Mukundan Thelakkat, der im Rahmen des EU-Projekts Largecells schon seit mehreren Jahren die organische Fotovoltaik vorantreibt, ist Lohwasser auf eine besondere Klasse von Makromolekü-

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Bilder: Ruth Lohwasser

WERKSTOFFE

Bild 1. Ruth Lohwasser in Interlaken nach der Verleihung des ersten Preises bei den DSM Science & Technology Awards 2012.

len aufmerksam geworden. Diese werden in der Forschung «Blockcopolymere» genannt und eignen sich unter bestimmten Voraussetzungen besonders gut zur Strukturierung auf der Nanoskala.

meren Halbleitern, die viele deutlich getrennte, aber eng benachbarte Transportbahnen für Elektronen und Löcher enthalten. Eine Pointe ihrer Forschungen liegt in dem Nachweis, dass sich durch ein gezieltes Feindesign der Blockcopolymere die Strukturen, Eigenschaften und Verhaltensweisen der Halbleiter steuern lassen, die bei der Synthese herauskommen. Wenn man beispielsweise die Anzahl der sich wiederholenden Moleküleinheiten und damit die Länge der beiden ladungsleitenden Ketten erhöht oder verringert, ändert sich auch die Grösse und die Art der Transportbahnen. «Diese materialwissenschaftlichen Grundlagen helfen bei der Entwicklung künftiger polymerer Halbleiter, die in organischen Solarzellen für eine effiziente Stromgewinnung sorgen können», erklärt die Bayreuther Polymerwissenschaftlerin. «Damit sind wir dem Ziel nähergekommen, eines Tages grossflächige und kostengünstige Plastikfolien herstellen zu können, die Lichtenergie in Elektrizität verwandeln.» Und noch ein weiterer Aspekt macht die neuen Forschungsergebnisse nicht nur für die Industrie, sondern auch für die Öffent-

lichkeit attraktiv: Durch das Feindesign der Kunststoffmoleküle lassen sich die Farben und weitere ästhetisch relevante Eigenschaften der organischen Solarzellen gezielt beeinflussen. Quelle: Universität Bayreuth Originalpubliktion Ruth Lohwasser, «Chain-growth polymerization of 3-hexylthiophene towards well-defined semiconductor block copolymers», Bayreuth, Univ., Diss., 2012 Online-Publikation: http://opus.ub.unibayreuth.de/volltexte/2012/959/

Kontakt Dr. Ruth Lohwasser Universität Bayreuth Makromolekulare Chemie Universitätsstrasse 30 D-95440 Bayreuth Telefon +49 (0)921 55 3298 ruth.lohwasser@uni-bayreuth.de www.chemie.uni-bayreuth.de

Nanostrukturierte Blockcopolymere als Bausteine Blockcopolymere sind Makromoleküle, die aus zwei chemisch verschiedenen Ketten bestehen. An genau einer Stelle sind die Ketten miteinander verknüpft. Damit nun ein solches Makromolekül für den Bau von Halbleitern geeignet ist, müssen hinsichtlich der beiden Ketten vor allem die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein: In der einen Kette wiederholt sich mehrfach eine Moleküleinheit, die Elektronen leitet; in der anderen Kette wiederholt sich mehrfach eine Moleküleinheit, die Löcher leitet. Die so strukturierten Ketten verteilen sich auf räumlich klar unterscheidbare, nanometergrosse Bereiche des Makromoleküls. Ihre chemische Verknüpfung gewährleistet, dass sich die beiden unterschiedlichen Molekülteile nicht weiter räumlich trennen können. Blockcopolymere mit einem derartigen Aufbau lassen sich, wie Lohwasser in ihrer Arbeit zeigt, zu wohlgeordneten Grossstrukturen zusammenfügen. Die von ihr entwickelten Syntheseverfahren führen zu poly46

Bild 2. Die Grafik zeigt oben einen Ausschnitt aus einem Diblockcopolymer. Die Kette links (blau) leitet Löcher, die Kette rechts (rot) leitet Elektronen. Von der Anzahl der sich wiederholenden Molekülenheiten und somit von der Länge der ladungsleitenden Ketten (chemisch gesprochen: von der Volumenfraktion) hängt es ab, wie die Nanostrukturierung der Halbleiter aussieht. Als besonders vielversprechend gelten in der Forschung lamellare und zylindrische Nanostrukturen, wie sie unten links bzw. unten rechts dargestellt sind.

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U M W E LT

Drastische Verschlechterung der Luftqualität berechnet

Die Luftverschmutzung wird weltweit zunehmen Heisse Sommertage sind in Grossstädten oft kein Grund zur Freude. Zu schlecht ist die mit Auto- und Industrieabgasen belastete Luft. Ein Szenario, das nach den neuesten Berechnungen des Max-Planck-Wissenschaftlers Andrea Pozzer im Jahr 2050 keine Ausnahme, sondern die Regel sein könnte, wenn keine Gegenmassnahmen getroffen werden. Vor allem China, Nordindien, der Mittlere Osten und Nordafrika müssen mit einer drastischen Verschlechterung der Luftqualität rechnen.

Bild: Asian Insights

schmutzter Stadtluft. Und diese Zahl wird in den nächsten Jahren steigen. Darum haben Pozzer und Kollegen in ihrer Studie den Einfluss anthropogener Emissionen auf die Luftqualität verschiedener Erdregionen miteinander verglichen. Sie zeigen in ihrer Studie, was passieren kann, wenn keine weiteren Massnahmen zur Schadstoffreduzierung getroffen werden.

Bild 1. Dicke Luft: Alltag in Megacities wie Mumbai, Indien.

Im Jahr 2050 wird die Luft weltweit so schlecht sein, wie sie jetzt bereits in Ballungsgebieten Südostasiens ist. Das ist das Ergebnis einer Simulation der Atmosphäre von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Chemie, des Instituts für Physik der Atmosphäre und des Joint Research Centers der Europäischen Kommission. Das chemische Atmosphärenmodell EMAC, das die Forscher für ihre aktuelle Studie verwendet haben, bezieht erstmals alle fünf wichtigen gesundheitsschädlichen Luftschadstoffe mit ein: Stickstoff- und Schwefeldioxid, Ozon, Kohlenmonoxid sowie Feinstaubpartikel (PM 2.5), die kleiner sind als 2,5 Mikrometer und als besonders gesundheitsschädlich gelten.

Eines der grossen gegenwärtigen Gesundheitsrisiken Luftverschmutzung ist eines der grossen gegenwärtigen Gesundheitsrisiken der Menschheit. Weltweit sterben nach Angaben der WHO schätzungsweise 1,3 Millionen Menschen jährlich an den Folgen ver9 /2012

so hoch sein wird, verglichen mit dem heutigen Wert. In Nordindien und der arabische Golfregion hingegen sind es eher die Ozonwerte, die ansteigen werden. Die Ursachen hierfür liegen in erster Linie in der zunehmenden Bevölkerungsdichte und dem damit zu erwartenden Anstieg industrieller Produktion und Verkehr. Auch in Europa und Nordamerika werde sich die Luftverschmutzung erhöhen, erklären die Wissenschaftler. Doch dank der hier seit einigen

«Die Studie macht deutlich, dass wir neue Gesetze zur Kontrolle und zur Reduktion industrieller Emissionen brauchen. Besonders für das östliche China und für Indien ist dies wichtig, sonst entstehen hier regelrechte SchadstoffHotspots», sagt Pozzer vom Max-Planck• Vollständige Erfassung der Organik Institut für Chemie • Thermisch-katalyƟscher Aufschluss in Mainz. Denn die• Bes mmung ohne die Gefahrstoffe se beiden Regionen Quecksilber und Chrom VI zählen nach den Er• Analysenzeiten von < 3 Minuten gebnissen der Studie zu den Orten, • Weniger als 0,20 € je BesƟmmung die mit den höchs• Geringer Platzbedarf ten SchadstoffwerJetzt informieren! ten zu kämpfen haben werden. Für TOC und TNb Ostasien sagen die Wasser- und Feststoffanaly k für Wissenschaf tler Labor- und Online-Anwendungen eine ex trem hohe Luftverschmutzung insbesondere durch Stick stof foxide, Analyse entechnik GmbH Schwefeldioxid und Tel. +49 (0) 76 64 / 50 58 605 · tb-suedwest@dimatec.de · www.dimatec.de Feinstaub (PM 2.5) voraus, die dreimal

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Jahrzehnten existierenden Umweltgesetze sei diese Region weit weniger stark betroffen.

«Business-as-usual»-Szenario Grundlage der Studie sind die tatsächlichen Schadstoffemissionen aus dem Jahr 2005 und deren Trends in den darauffolgenden Jahren. Ausserdem legten Pozzer und seine Kollegen die Annahme zugrunde, dass unvermindert Schadstoffe ausgestossen und keine zusätzlichen reglementierenden Umweltgesetze eingeführt werden. Dieses sogenannte «Business-as-usual»-Szenario klingt zwar pessimistisch, ist aber nicht unwahrscheinlich. Die weltweiten Entwicklungen deuten auf ein solches Szenario hin. Aufbauend auf diesen Ergebnissen plant Pozzer, die bisherige Fragestellung zu erweitern. Mithilfe einer neuen Studie soll unter anderem berechnet werden, wie vie-

le Menschen konkret von den gesundheitsschädlichen Auswirkungen sich verschlechternder Luftqualität betroffen sein werden. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Originalpublikation A. Pozzer, P. Zimmermann, U. M. Doering, J. van Aardenne, H. Tost, F. Dentener, G. Janssens-Maenhout & J. Lelieveld, «Effects of business-as-usual anthropogenic emissions on air quality», Atmos. Chem. Phys. Discuss. 12, 8617–8676 (2012).

Kontakt Dr. Andrea Pozzer Max-Planck-Institut für Chemie Hahn-Meitner-Weg 1 D-55128 Mainz Telefon +49 (0)6131 305 4600 andrea.pozzer@ mpic.de 9 /2012


A R B E I T S W E LT

Bild: Alexey Nagaev

Bild 1. Blick auf die beiden Gipfel des Belukha, in dessen Sattel der Eiskern gebohrt wurde.

Rekonstruktion aus einem Eisbohrkern

Bleigehalt der Luft in Russland seit 1680 Ein Forschungsteam des Paul Scherrer Instituts hat den zeitlichen Verlauf der Bleikonzentration in der Luft in Russland seit 1680 erstellt. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher aus einem Eisbohrkern gewonnen, den sie aus einem Gletscher im Altaigebirge entnommen haben. In den verschiedenen Eisschichten ist darin die Zusammensetzung der Atmosphäre aus vergangenen Zeiten archiviert. Die Bleikonzentrationen und die Zusammensetzung der Bleiisotope im Eisbohrkern wurden mit einem empfindlichen (Sektorfeld-) Massenspektrometer gemessen.

9 /2012

erklärt Anja Eichler, Wissenschaftlerin in Schwikowskis Forschungsgruppe, die die Untersuchungen durchgeführt hat.

Vergangenheit im Eis konserviert Die Informationen über die Bleikonzentrationen der vergangenen Jahrhunderte haben die Forscherinnen aus einem Eisbohrkern gewonnen, den ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Schwikowski 2001 im russischen Altaigebirge in der Grenzregion von Russland, China, Mongolei und Kasachstan gebohrt hat. Ein solcher Bohrkern wird aus einem Gletscher entnommen, der über die letzten Jahrhunderte nicht geschmolzen ist. Er entsteht, wenn sich der Schnee aufeinanderfolgender Jahre ablagert und unter dem eigenen Gewicht zusammengedrückt wird. Da der Schnee auch immer Spuren der verschiedenen Atmosphärenbestandteile enthält, wird im Gletschereis die Atmosphärenzusammensetzung aus der Vergangenheit konserviert. Die Bleikonzentrationen und auch die Zusammensetzung der Bleiisotope im Eisbohrkern wurden mit einem

empfindlichen (Sektorfeld-) Massenspektrometer gemessen. «Blei in der Atmosphäre kann aus verschiedenen Quellen stammen» erklärt Schwikowski. Es kann als Gesteinsstaub aus Wüsten in die Luft gelangen oder bei VulkanerupBild: PSI

«Blei in der Luft ist gesundheitsschädlich. Vor allem behindert es die kognitive Entwicklung bei Kindern» erklärt Margit Schwikowski, Leiterin der Forschungsgruppe Analytische Chemie am Paul Scherrer Institut in Villigen. Die Hauptquelle von Blei in der Atmosphäre sind Bleiverbindungen, die aus verbleitem Benzin stammen und über die Abgase in die Luft abgegeben werden. Um die Bleibelastung zu reduzieren, hat man in den westlichen Ländern seit den Siebzigerjahren die Nutzung verbleiten Benzins zunehmend reduziert und schliesslich verboten. «In einer Arbeit, die wir 2004 veröffentlicht haben, konnten wir zeigen, dass die Bleikonzentration seit der Einführung bleifreien Benzins in Westeuropa tatsächlich deutlich zurückgegangen ist», betont Schwikowski. «In unserer neuesten Untersuchung haben wir die Bleikonzentration in der Luft in Russland seit 1680 bestimmt und sehen auch hier für die Zeit seit den Siebzigerjahren eine deutliche Abnahme. Wir deuten diese aber als ungeplanten Effekt, der mit dem Niedergang der Wirtschaft in der Sowjetunion und dem daraus folgenden Rückgang der Abgasemissionen zusammenhängt»,

Bild 2. Der Vergleich der historischen Verläufe der Bleikonzentration in der Atmosphäre im Zeitraum 1850 bis 1995 in Ost- und Westeuropa. Die Ergebnisse für Westeuropa stammen aus einem Bohrkern vom Colle Gnifetti in den Schweizer Alpen.

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tionen freigesetzt werden. Der grösste Teil stammt heute aber aus menschlicher Aktivität: aus der Verbrennung von Kohle, dem Abbau und der Verhüttung von Metallen und aus verbleitem Benzin.» Diese verschiedenen Quellen kann man auch beim Blei aus Russland nachweisen. «Bis ins 18. Jahrhundert sehen wir nur das Blei aus natürlichen Quellen. Seit etwa 1770 folgt ein Anstieg, weil man in der Nähe des Gletschers begonnen hat Silber für die russische Münzherstellung abzubauen», erklärt Eichler. «Seit der Zeit von Katharina der Grossen wurden im Altai-Gebiet alle russischen Münzen hergestellt. Ab den Dreissigerjahren des 20. Jahrhunderts sieht man dann einen weiteren Anstieg, der mit der zunehmenden Industrialisierung in der Sowjetunion und der damit verbundenen verstärkten Nutzung von verbleitem Benzin zusammenhängt.» Hier unterscheiden sich die Ergebnisse der Messungen in Russland wieder deutlich von denen aus Westeuropa, wo der mit der Industrialisierung verbundene Anstieg der Bleikonzentration bereits

Bild: PSI

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Bild 3. Bleikonzentrationen in der Atmosphäre im Zeitraum 1680-1995 rekonstruiert anhand eines Eisbohrkerns vom Belukha-Gletscher im sibirischen Altai-Gebirge. Während das Blei in der Zeit 1680–1935 hauptsächlich aus dem Bergbau für die russische Münzherstellung im Altai stammt, ist die dominierende Quelle seit den Dreissigerjahren das verbleite Benzin in Russland.

Ende des 19. Jahrhunderts zu sehen ist. Da keine kontinuierlichen Messungen des Bleigehalts in der Luft durchgeführt werden, liefern die Ergebnisse der PSIForschenden den Quality ersten umfassen100% den Überblick über dessen Entwicklung – in der aktuellen Arbeit für Russland und in der Veröffentlichung von 2004 für Westeuropa. «Wir bestimmen nicht nur die Bleimenge, sondern Überwachen Sie Ihre Klimabedingungen: können zum Teil Ͳ sŽůůĂƵƚŽŵĂƟƐĐŚĞĂƚĞŶƐŝĐŚĞƌƵŶŐ auch den Ursprung ͲĐŚƚnjĞŝƚĂŶnjĞŝŐĞĂŶũĞĚĞŵW͕ƉƌŽĂŬƟǀĞ des Bleis aus der  mďĞƌǁĂĐŚƵŶŐƐͲƵŶĚůĂƌŵŝĞƌƵŶŐƐĨƵŶŬƟŽŶĞŶ IsotopenzusammenͲ<ŽŶĨŽƌŵŝƚćƚnjƵ'DWͲƵŶĚ&ͲZŝĐŚƚůŝŶŝĞŶ setzung zuordnen. Ͳ/Ŷ/ŚƌĞŶ>ĂŐĞƌͲƵŶĚWƌŽĚƵŬƟŽŶƐƌćƵŵĞŶ͕ In der Natur treten Laboratorien und Reinräumen vor allem drei Isotope auf, die in verELPRO-Fachreferat «Trends und aktuelle schiedenen LagerAnforderungen an das Reinraum-Monitoring» stätten in verschieInPulse, 27. September 2012, Basel denen Verhältnissen vorkommen», sagt ELPRO-BUCHS AG | Langäulistrasse 62 Eichler. «So können 9470 Buchs SG | Switzerland prove it. T +41 81 750 03 11 | www.elpro.com wir zeigen, dass sich in Russland kein Blei

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aus in Europa verwendetem verbleitem Benzin findet. Dieses stammt aus Australien und hat eine ganz andere Zusammensetzung als das russische. Das heisst auch, dass die Einführung bleifreien Benzins in Europa keinen Einfluss auf die Bleikonzentration in Russland hatte. Und wir sehen auch, ab wann das Blei mehrheitlich aus den Lagerstätten und nicht aus Gesteinsstaub stammt. Das Blei aus dem Silberabbau können wir mit unseren Methoden aber nicht von dem Blei aus dem Benzin unterscheiden – beide stammen aus derselben Lagerstätte.» Quelle: PSI Originalpublikation Anja Eichler et al., «Three Centuries of Eastern European and Altai Lead Emissions Recorded in a Belukha Ice Core», Environ. Sci. Technol., 46 [8], 4323–4330 (2012).

Kontakt Prof. Dr. Margit Schwikowski PSI, Labor für Radio- und Umweltchemie CH-5232 Villigen PSI Telefon +41 (0)56 310 41 10 margit.schwikowski@psi.ch www.psi.ch 9 /2012


Forscher der Eawag und der Empa untersuchen in der Kanalisation die Transformation von Mikroverunreinigungen und Nanopartikeln im Abwasser.

Schweizer Städte nehmen einen Spitzenplatz ein

Kokainkonsum im europäischen Vergleich

9 /2012

Aus Rückrechnung geschätzter Kokainkomsum basierend auf BE [mg/1000 Einwohner/Tag]**

Bevölkerung, die an Kläranlage angeschlossen ist [-]*

Aus Rückrechnung geschätzter Kokainkonsum basierend auf BE [g/Tag]*

Menge des Kokainmetaboliten Benzonyleogonin (BE) im Kanal [g/Tag]*

Wochentag

Datum

Kokain gilt als Lifestyle-Droge und ist in der Partyszene sowie als Aufputschmittel zur Leistungssteigerung beliebt. Um konsumierte Kokainmengen zu erheben, hat ein internationales Team von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern mit Beteiligung der Eawag in 19 europäischen Grossstädten Kokain und andere Drogen nach einem vereinheitlichten Vorgehen mittels Abwasseranalysen direkt nachgewiesen [1]. Während einer Woche massen die Forscher die Konzentrationen der einzelnen Substanzen und schätzten daraus den effektiven Verbrauch. Christoph Ort von der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft der Eawag und sein Team trugen massgeblich zum Studiendesign und zur Qualitätssicherung bei, damit unterschiedliche Abwassersysteme verschiedenster Städte objektiv miteinander verglichen werden konnten. Unter den untersuchten Städten stehen Antwerpen und Amsterdam beim Kokainkonsum an der Spitze. Pro Tag und 1000 Einwohner werden dort durchschnittlich mehr als 1,5 Gramm Kokain konsumiert.

Stadt

Rund 360 Kilogramm Kokain werden in Europa täglich konsumiert. Das berichtet ein internationales Wissenschaftler-Team mit Beteiligung des Wasserforschungsinstituts Eawag in der Fachzeitschrift «Science of the Total Environment». Die Forscher untersuchten das Abwasser von rund 15 Millionen Personen in 19 europäischen Städten auf verschiedene Drogen. Vergleichbare Analysen in der Schweiz deuten auf einen im europäischen Vergleich erhöhten Kokainkonsum hierzulande hin.

Genf

02.09.2009 Mittwoch

73

202,21

242764

833

Genf

06.09.2009 Sonntag

253

700,81

242764

2887

Luzern

30.08.2009 Sonntag

75

207,75

114766

1810

Luzern

02.09.2009 Mittwoch

42

116,34

114766

1014

Bern

12.07.2009

Sonntag

55

152,35

139050

1096

Bern

18.07.2009

Samstag (Festival)

80

221,60

139050

1594

Bern

19.07.2009

Sonntag (Festival)

66

182,82

139050

1315

Zürich

05.08.2009 Mittwoch

144

398,88

273360

1459

Zürich

09.08.2009

468

1296,36

273360

4742

Sonntag (Street Parade)

* Daten aus Mathieu et al. [2] ** Abschätzung des konsumierten Kokains mit Rückrechnungsmethode wie für 19 europäische Städte [1]

Tabelle 1. Vergleichswerte Schweizer Städte 2009

51

Bild: Eawag

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U M W E LT

Im Mittelfeld liegen mit 0,5 bis 1 Gramm unter anderem Barcelona, London, Mailand und Paris. In den skandinavischen Städten wie Stockholm, Oslo oder Helsinki ist der Verbrauch dagegen sehr gering und liegt unter 0,15 Gramm pro Tag und 1000 Einwohner. Eine Hochrechnung dieser Werte ergibt, dass in ganz Europa pro Tag total rund 360 Kilogramm Kokain konsumiert werden. Das entspricht etwa 10 bis 15 Prozent der vom Büro der Vereinten Nationen für Drogenund Verbrechensbekämpfung geschätzten globalen Kokainproduktion.

Hoher Konsum in Schweizer Städten Bereits letztes Jahr veröffentlichten die Eawag und die Universität Bern eine Studie über Kokain im Abwasser der Städte Bern, Genf, Luzern und Zürich [2]. «Die Kokainmengen im Abwasser lagen dort im gleichen Bereich wie bei jenen europäischen Städten mit dem höchsten Konsum», sagt

52

Ort. Dabei war die Belastung an Wochenenden und während bestimmter Anlässe wie der Zürcher Street Parade oder Musikfestivals zwei- bis viermal so hoch wie an gewöhnlichen Wochentagen. Diese Resultate beruhen auf Messungen an einzelnen Tagen in 2009 und nicht wie bei den europäischen Städten auf Daten, die gleichzeitig über eine Woche ermittelt wurden. Deshalb beteiligten sich die Schweizer Forscher in diesem Jahr an der nächsten internationalen Messkampagne, bei der neben Basel, Bern, Genf, St. Gallen und Zürich viele weitere europäische und amerikanische Städte untersucht wurden. Die Eawag interessieren dabei besonders die Datenqualität sowie das Vorkommen und Verhalten von Spurenstoffen wie beispielsweise Arzneimittel und Haushaltchemikalien im Abwasser. Daraus lassen sich neue Erkenntnisse gewinnen, um Mikroverunreinigungen in den Gewässern zu verringern. Quelle: Eawag

Originalpublikationen [1] Kevin V. Thomas et al., «Comparing illicit drug use in 19 European cities through sewage analysis», Science of The Total Environment 432, 432–439 (2012). [2] Christoph Mathieu, Jörg Rieckermann, Jean-Daniel Berset, Stefan Schürch, Rudolf Brenneisen, «Assessment of total uncertainty in cocaine and benzoylecgonine wastewater load measurements, Water Research 45 [20], 6650–6660 (2011).

Kontakt Dr. Christoph Ort Eawag Abteilung Siedlungswasserwirtschaft Überlandstrasse 133 CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 77 christoph.ort@eawag.ch www.eawag.ch

9 /2012


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Die Fachmesse Arbeitsschutz Aktuell findet vom 16. bis 18. Oktober auf über 20 000 Quadratmeter Fläche in fünf modernen Messehallen statt. Der diesjährige Standort Augsburg liegt innerhalb der starken Wirtschaftsräume Bayern, Baden-Württemberg, der nahen Schweiz und Österreich. Infrastruktur und Verkehrsanbindung der Messe Augsburg sind optimal auf die Veranstaltungsbedürfnisse eingestellt. Die Fachmesse deckt mit den Themen Persönliche Arbeitssicherheit, Corporate Health, Sicherheit im Betrieb, den wichtigsten Arbeitsschutzmedien und etlichen Foren und Präsentationen alle Angebotsspektren der Branche ab. Vertreten sind in erster Linie die Marktführer der Branche. Der dreitägige Fachkongress im Tagungscenter der Messe Augsburg sorgt für KnowHow-Transfer auf hohem Niveau. Die Themenblöcke bieten den Dialog zu aktuellsten Inhalten. Das dreitägige Programm des Fachkongresses Arbeitsschutz Aktuell 2012 wird den Ansprüchen von Wissenschaft und Praxis gerecht. Dafür sorgt nicht zuletzt das 9 /2012

Motto des Kongresses «Sicher und gesund arbeiten – Vision Zero in der Praxis». Es stellt die Grundfrage: Wie lässt sich in der Betriebspraxis eine Sicherheits- und Gesundheitskultur schaffen, die die Fehlbarkeit des Menschen berücksichtigt und das Schadensrisiko arbeitsbedingter Unfälle und Belastungen auf ein Minimum reduziert? Im Herzen der Messehalle 5 werden Trends und visionäre Vorträge präsentiert. Es geht um Lösungen zu aktuellen Themen in der Arbeitswelt. Neben dem Vortragsbereich präsentieren sich alle wichtigen Fachmedien der Branche. Im Informationsforum «Prävention in der Region» für kleine und mittlere Unternehmen werden Best-Practice-Beispiele erfolgreicher Gesundheits-Management-Konzepte vorgestellt. Daneben beschäftigt sich das Forum mit den besonderen Arbeitsbelastungen der einzelnen Branchen und zeigt Lösungen für Unternehmen aus Handwerk, Handel, Dienstleistung und Produktion auf. Die Veranschaulichung von Arbeitsplatzlösungen anhand von verschiedenen Szenarien sowie die Sensibilisierung der Besucher für ein gesundes und sicheres Arbeiten im Büro- und Produktionsumfeld ist Ziel der Aktionsfläche und des Vortragsforums ErgonomieLive. Weitere Informationen sind zu finden unter www.arbeitsschutz-aktuell.de. Quelle: Hinte Messe GmbH

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Wenn es um das Thema Sicherheit und Gesundheit am Arbeitsplatz geht, ist die Arbeitsschutz Aktuell als Informationsplattform für Wirtschaft und Wissenschaft unverzichtbar. Bereits seit 1972 wandern Fachmesse und Kongress im Zwei-JahresRhythmus durch die wesentlichsten Wirtschaftsräume Deutschlands.

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

Veranstaltungen NOVEMBER 2012 06./07.11.

06./07.11.

08.11.

08.11.

Kurs: Einspritztechniken in der Gaschromatographie Ort: CH-8952 Schlieren Veranstalter: Brechbühler AG Steinwiesenstrasse 3, CH-8952 Schlieren Telefon +41 (0)44 732 31 31 kurse@brechbuehler.ch, www.brechbuehler.ch Kurs: Analytische Mikroarrays – Herstellung, Anwendung und Auswertung Ort: D-München Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 366 tg@gdch.de, www.gdch.de/tagungen

Kurs: Grossvolumige Einspritztechniken Ort: CH-8952 Schlieren Veranstalter: Brechbühler AG Steinwiesenstrasse 3, CH-8952 Schlieren Telefon +41 (0)44 732 31 31 kurse@brechbuehler.ch, www.brechbuehler.ch Kurs: Grundlagen und Anwendungen in der Nah-Infrarot (NIR) Spektrometrie Ort: CH- 9230 Flawil Veranstalter: Sekretariat Weiterbildung SCG/DAC, c/o Eawag, Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 verena.schmid@eawag.ch, www.sach.ch

08./09.11.

Kurs: Selektive Oxidationsreaktionen Ort: D-Frankfurt am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 366 tg@gdch.de, www.gdch.de/tagungen

12./13.11.

Kurs: Präparative chromatographische Enantiomerentrennung im synthetischen Labor Ort: D-Nürnberg Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 366 tg@gdch.de, www.gdch.de/tagungen

13.11.

Fortbildungstag: Störungsbedingte Stoffund Energiefreisetzungen in Chemieanlagen Ort: D-69486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema-Forschungsinstitut Postfach 17 03 52, D-60077 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253/202 info@dechema.de, www.dechema-dfi.de/Kurse

14.11.

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Kurs: High-Performance Thin-Layer Chromatography Mass Spectrometry (HPTLC-MS) Ort: D-Stuttgart Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 366 tg@gdch.de, www.gdch.de/tagungen

14.11.

Anwendertreffen: Titration User Meeting Ort: CH-4800 Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.ch

15./16.11.

Kurs: Grundlegende Methoden der industriellen Statistik Ort: D-Frankfurt am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 366 tg@gdch.de, www.gdch.de/tagungen

21./22.11.

Kurs: Korrosionsschäden begreifen – Einführung in die Korrosionsschadenskunde mit praktischen Übungen Ort: D-69486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema-Forschungsinstitut Postfach 17 03 52, D-60077 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253/202 info@dechema.de, www.dechema-dfi.de/Kurse

21./22.11.

Seminar: Grundlagen der Massenspektrometrie Ort: D-89075 Ulm Veranstalter: Novia GmbH, Industriepark Höchst Gebäude B 845, D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305-43843 info@novia.de, www.novia.de

22.11.

IC User Meeting 2012 Ort: CH-4800 Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.ch

27.11.

Kurs: Kritischer Umgang mit Informationsquellen in der Chemie: SciFinder, Reaxys, Web of Knowledge et al. Ort: CH-Zürich Veranstalter: Sekretariat Weiterbildung SCG/DAC, c/o Eawag, Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 verena.schmid@eawag.ch, www.sach.ch

27./28.11.

Intensiv-Workshop pH- und Redox-Messung Ort: CH-8902 Urdorf Veranstalter: Mettler Toledo AG, Process Analytics Im Hackacker 15, CH-8902 Urdorf Telefon +41 (0)44 729 62 11 info@mt.com, ch.mt.com

27.–29.11.

Kurs: Korrosionsschutz – Grundlagen und Anwendungen Ort: D-69486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema-Forschungsinstitut Postfach 17 03 52, D-60077 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253/202 info@dechema.de, www.dechema-dfi.de/Kurse

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PANORAMA

Restaurieren und konservieren

Plasma für den Kulturgüterschutz Die Plasmatechnologie wird in Zukunft entscheidend dazu beitragen, unsere von Witterung und Zerfall bedrohten Kulturgüter zu erhalten. Das ist das zentrale Ergebnis eines Forschungsprojekts, das Fraunhofer-Forscher in Dresden vorgestellt haben. Neuartige Reinigungs- und Beschichtungstechniken ermöglichen es insbesondere, historische Silber- und Eisenobjekte sowie Papierdokumente umweltverträglich und nachhaltig zu konservieren und zu restaurieren.

Bild: Fraunhofer IST

rylene – wasserabweisende, chemisch resistente Kunststoffe – zur Beschichtung eignen. Die Technologie ist mit geringen Einschränkungen für viele Materialien wie Metall, Glas, Keramik, Textil, Leder, Pergament oder Papier anwendbar. Die Schichten sind nur drei bis fünf Mikrometer dick und können auch ohne Schäden wieder leicht entfernt werden. Bei der Reinigung beschädigter Silber- und Eisengegenstände erwies sich eine Kombination von Niederdruck- und Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen als ideal. Mit Niederdruckplasmen, das sind nichtthermische Plasmen, deren Druck erheblich niedriger ist als der erdatmosphärische Druck, lassen sich Objekte grossflächig behandeln. Inbesondere können Silbersulfidschichten abgetragen und damit angelaufenes Silber wieder spürbar aufgehellt werden.

Bild 1. Versilberte Teekanne, links vor und rechts nach der Behandlung mit dem heissen Plasmajet.

Kunst- und Kulturgüter sind für unsere Gesellschaft unermesslich kostbar. Sie sind nicht nur ein wesentlicher identitätsstiftender Bestandteil unserer Zivilisation, sondern auch von wirtschaftlicher Relevanz. Verwitterung und Zerstörung durch Umwelteinflüsse, Korrosion oder mikrobieller Befall führen jedoch dazu, dass Objekte regelmässig unwiederbringlich verloren gehen. Die Gründe hierfür: Es fehlen kostengünstige und nachhaltige Konservierungs- und Restaurierungstechniken. Das will die Forschungsallianz Kulturerbe ändern.

Silber- und Eisenobjekte reinigen und schützen Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten lag auf der Entwicklung geeigneter Schutzschichten für bedrohte Kunst- und Kulturobjekte. Die Experten von Fraunhofer fanden heraus, dass sich insbesondere Pa9 /2012

Zu den bedrohtesten Kulturgütern zählt das Papier. Insbesondere den Beständen aus dem 19./20. Jahrhundert drohen aufgrund ihres Säuregehalts und teilweise unsachgemässer Lagerung irreversible Zerstörungen. Schimmelpilz- und Bakterienbefall, Tintenfrass und Parasiten sind weitere Schadensursachen. Eine aussichtsreiche Möglichkeit, den Verfall zu stoppen, bietet die Elektronenstrahltechnik auf Basis von Atmosphärendruck. Elektronen werden dabei aus dem Plasma extrahiert und als Energieträger zur Vernetzung von Molekülen innerhalb geschädigter Stellen eines Papierdokuments genutzt. Die vernetzten Molekülketten bilden ein langzeitstabiles Stützgerüst für die gebrochenen Cellulosefasern. Gleichzeitig sterilisieren und entkeimen die Elektronen das Dokument nachhaltig. Optik und Haptik der Blätter des Archivguts bleiben dabei im Wesentlichen erhalten. «Mit dieser Adaption der Plasmatechnologie für fragile Objekte ist die Forschungsallianz auf einem sehr guten Weg zur Erhaltung unseres kulturellen Erbes», resümiert Klaus Sedlbauer, Sprecher der Forschungsallianz und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

Elektronen retten Papier Für sehr fragile Objekte ist dagegen die Plasmabehandlung mit Atmosphärendruck geeigneter. Zum Einsatz kommen dabei Jetsysteme, die vom Restaurator ähnlich wie ein Stift in die Hand genommen und punktuell über die Probe geführt werden können. Silber lässt sich so ohne Abrieb von Sulfidschichten reinigen oder Eisennägel lassen sich archäologisch freilegen.

Kontakt Dr. Johanna Leissner Wissenschaftliche Repräsentantin der Fraunhofer-Institute IAP, IBP, ICT, IGB, ISC, IST, MOEZ Fraunhofer Brüssel Rue du Commerce 31 B-1000 Brüssel Telefon +32 (0)2 50642 43 johanna.leissner@zv.fraunhofer.de 55


PRODUKTE

Remote I/O-System für den Ex-Bereich

Das Remote I/O System Antares plus von Bartec kann mit verschiedenen Bussystemen (Profibus-DP, ProfiNet, Ethernet IP, Modbus TCP) an jede gängige Steuerung angeschlossen werden. Es stehen neun verschiedene I/O-Module in Form von digitalen und analogen Einund Ausgängen zur Verfügung. Bei Profibus-DP kann zudem eine hohe Ausfallsicherheit durch den redundanten Aufbau zweier Kopfmodule erreicht werden. Ein leistungsstarkes Netzteil ermöglicht die Versorgung von bis zu 32 Modulen. Eine hohe Anzahl von Sensoren und Aktoren kann somit angeschlossen werden. Das System ist nach den aktuellen Richtlinien für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich für ATEX Zone 1 und 2 (Gas) und ATEX Zone 21 und 22 (Staub) geeignet. Die Kombination von Ex d, Ex e und Ex i und einer eigens entwickelten Steck technik wurde auf kleinstem Raum verwirklicht. Durch das besondere Entwicklungskonzept kann das System für die Gerätekategorie 2G in ein ein-

faches Industriegehäuse eingebaut werden. Durch die Systemzulassung ist ein flexibler Aufbau vor Ort möglich und Konfigurationsänderungen lassen sich einfach und schnell umsetzen. Für den Anwender ergeben sich daraus Kosteneinsparungen sowie eine Verringerung des Engineeringaufwands. Das System ist hotswap-fähig, das heisst, der Wechsel von Modulen ist im laufenden Betrieb des Systems unter Spannung möglich. Die Profibus- bzw. Ethernetleitung wird direkt an das System angeschlossen. Auf zusätzliche explosionsgeschützte Komponenten (Trennübertrager) kann verzichtet werden. Die dazugehörige Antares plusDesignersoftware ermöglicht durch die intuitive Bedienbarkeit, das System mit wenigen Mausklicks zu projektieren und konfigurieren. Bartec Engineering + Services AG Hinterbergstrasse 28 CH-6330 Cham Telefon +41(0)41 747 27 27 info@bartec.ch, www.bartec.ch

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Biochrom sind Experten im Bereich Spektralfotometrie und stellen seit nunmehr 40 Jahren qualitativ hochwertige wissenschaftliche Geräte her. Nebst den Libra-Spektralfotometern stellt Biochrom auch die Geräte von WPA und die mittlerweile bekannte Ultrospec-Reihe her. Witec AG Zentrum Fanghöfli 8 CH-6014 Luzern Telefon +41 (0)41 250 53 57 mail@witec.ch www.witec.ch

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DrySyn SnowStorm, Asynts LÜsung fßr Tieftemperatur-Reaktionschemie, bietet aktive Temperaturregelung ohne Eisbildung und die Fähigkeit, bis zu 12 Reaktorgefässe parallel zu kßhlen und zu rßhren. Der neue DrySyn SnowStorm ist ideal fßr eine umfassende Anwendungspallette in der Chemie, Verfahrensentwicklung und Biologie. Die Fähigkeit, Reaktionsgefässe parallel zu kßhlen und zu rßhren

und gleichzeitig eine konstante Untertemperatur Ăźber lange Perioden aufrecht zu erhalten, macht dies zu einem attraktiven Werkzeug. Hinzu gestattet ein unbewachter Betrieb Ă&#x153;bernachtreaktionen durchzufĂźhren. Die aktive Temperaturregelung vermeidet Temperaturschwankungen und bietet ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und akkurate KĂźhlrampen, zum Beispiel fĂźr Kristallbildungsversuche. Das AusspĂźlen der Glaskuppel des Reaktionssystems mit Stickstoff/Argon verhindert Eisbildung im Umfeld der Reaktoren bei Untertemperaturen. Die Kompatibilität mit allen StandardUmwälzthermostaten und magnetischen RĂźhrwerken gestattet eine AbkĂźhlung auf â&#x20AC;&#x201C;50 °C und eine Aufheizung auf +150 °C und bietet somit eine erstaunliche Vielseitigkeit. Das modulare Design von DrySyn SnowStorm ist einfach zusammenund auseinanderzubauen, und der

Betrieb ist so einfach, dass nur ein minimales Training erforderlich ist. Dank fßnf Vierpositionseinschßben kÜnnen Reaktionsgefässe verschiedener GrÜssen von diversen Herstellern verwendet werden, sodass die Konfiguration fßr individuelle Anforderungen in Sekundenschnelle vorgenommen werden kann. Massgeschneiderte GefässgrÜssen stehen ebenfalls zur Verfßgung. Da die Temperaturregelung und die Rßhrfunktion im Schreibtischmodell auf kleinstem Raum stattfinden, kann DrySyn SnowStorm den Durchsatz sowohl kostengßnstig als auch flächensparend erhÜhen.

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CCD-Spektrometer: Kompaktmodul mit internem Prozessor Polytec, Hersteller und Distributor von Spektrometersystemen, stellt das neue CCD-Minispektrometer Exemplar des US-Herstellers und Partnerunternehmens B&WTek vor. Es handelt sich um das erste Minispektrometer, das als integralen Bestandteil einen Prozessor fßr die Mittelung, Glättung und automatische Dunkelstromreduzierung der Analysewerte zusammen mit einer Temperaturkompensation enthält. Die High-Speed-Datenßbertragung via USB 3.0 erlaubt mit einer Rate von 900 Spektren pro Sekunde eine blitzschnelle Weiterleitung der aufbereiteten Spektraldaten. Die niedrige Trigger-VerzÜgerung von 14 Nanosekunden und ein Gate Jitter von ¹1 Nanosekunde ermÜglichen Multichannel-Anwendungen, das heisst, eine simultane Nutzung von bis zu 16 Spektrometermodulen. Das sind Werte, die derzeit von keinem anderen Spektrometer auf dem Markt erreicht werden. Darßber hinaus ermÜglicht die einstellbare Belichtungszeit mit einer Genauigkeit von einer Mikrosekunde eine exakte Kontrolle des SignalRausch-Verhältnisses. Das Minispektrometer verfßgt ßber einen

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2048-Elemente-CCD-Detektor. Der Konfigurationsbereich liegt zwischen 200 und 1050 Nanometern mit spektralen AuflÜsungen von 0,5 bis 4,0 Nanometern. Dank dieser Leistungsmerkmale erÜffnet die neue Plattform bislang kaum denkbare AnwendungsmÜglichkeiten. Typische Einsatzbereiche sind etwa sehr schnelle Klassifizierungs- und Sortieraufgaben, die Analyse von Reaktionsabläufen und

die Ă&#x153;berwachung schneller Prozesse in Produktion und Qualitätssicherung. Auch simultane MehrkanalAnalysen wie Multipunkt-Abtastungen und LIBS werden unterstĂźtzt.

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Einsatz in den unterschiedlichsten Prozessen geeignet. Bei Bedarf kann sie auch für Spezialanwendungen konfiguriert werden. Dafür bietet Rota Val viele Optionen an: • Direkt- oder Kettenantrieb • Durchfall- bzw. Durchblaschleuse • in Grössen 125 bis 300 mm erhältlich • ATEX-Ausführung • produktberührende Teile poliert • auf Wunsch FDA-konforme Werkstoffe • Berührungsdetektion durch RotaSafe für Schnellabschaltung bei Gehäusekontakt des Rotors. Die HR-Zellenradschleuse ist nur eine von zahlreichen Schleusen aus dem Rota Val-Produktportfolio. Die erfahrenen Spezialisten bei Rota Val unterstützen bei der Auswahl, um die beste Lösung für die jeweilige Anwendung zu definieren. Tests unter reellen Produktionsbedingungen sind im Gericke Test Center möglich.

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