ChemieXtra 10/2017

10/ 2017

Oktober 2017

Offizielles Organ des Schweizerischen Chemie- und Pharmaberufe Verbandes

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Wer vieles bringt, wird manchem etwas bringen Die Aufgaben eines Redaktors sind vielfältig und vor allem interessant. Wer hat schon die Möglichkeit, sich berufsmässig laufend über Neuigkeiten in seinem Fachgebiet und in angrenzenden Bereichen zu informieren? Für die Leute, die dieses Privileg nicht haben, gibt es Fachzeitschriften, in denen eine Auswahl lesenswerter Meldungen präsentiert wird.

Dies gilt auch für «ChemieXtra», dessen Redaktion ich interimistisch betreue.

Das Resultat meiner Recherchen liegt vor Ihnen, liebe Leser.

Da sind einerseits zum Beispiel Bakterien, die aus Methan und Methanol grössere Moleküle mit mehreren Kohlenstoffatomen synthetisieren (Seite 15).

Andererseits gibt es Bakterien in den Tiefen der Meere, die in Symbiose mit Muscheln und Schwämmen leben und diese in unwirtlicher Umgebung mit lebenswichtigen Kohlenstoffverbindungen versorgen (Seite 40).

Wie man Methan aus Kaffeesatz produzieren kann, wird am Paul Scherrer Institut in Villigen demonstriert. Die eingesetzten nassen Kaffeerückstände sind ein Abfallprodukt bei der Produktion von löslichem Kaffepulver bei Nestlé. Rund 60 Prozent der im Kaffeesatz enthaltenen Energie konnte im Pilotversuch in Methan umgesetzt werden. Zudem wurden stickstoffhaltige Nährsalze isoliert, die als qualitativ hochwertigen Dünger eingesetzt werden können (Seite 42).

Immer wieder faszinierend sind Berichte über Graphen, «das dünnste und stabilste Material der Welt, ultraleicht, reissfest, elektrisch leitfähig und extrem belastbar» (Seite 10). An der Technischen Universität München ist es gelungen, freitragende Graphenmembranen herzustellen. Noch ist es zu früh, darüber in Enthusiasmus auszubrechen: Die Graphenflakes, in denen zehn Billionen Kohlenstoffatome exakt gleich ausgerichtet sind, sind nur einen Quadratmillimeter gross.

Opium ist das effizienteste Mittel gegen Schmerzen, indem es Ionenkanäle in schmerzempfindlichen Zellen blockiert. Sein Nachteil: die Abhängigkeit sowie weitere Nebenwirkungen wie Verstopfung oder Atembeschwerden.

Forscher aus Deutschland und Amerika haben gezeigt, wie Opium wirkt und dabei auch Alternativen mit bedeutend weniger Nebenwirkungen als Opium vorgeschlagen (Seite 24).

Sie sehen, liebe Leser, das in «ChemieXtra» abgedeckte Gebiete ist sehr breit.

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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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FOKUS

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Mobilität ohne CO2-Ausstoss?

Mobilität soll effizient, CO2-frei und sauber sein. Klarheit über den Weg dorthin herrscht kaum.

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MEDIZIN Schmerzfrei ohne Opiumrausch

Ionenkanäle in schmerzempfindlichen Zellen sind Ansatzpunkte einer Schmerzbehandlung, die ohne Opiumverabreichung auskommt.

CHEMIE Entzauberung magischer Pilze

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ERNÄHRUNG Proteindrink aus Lupinen

Seit fast 60 Jahren ist Psilocybin bekannt. Doch erst jetzt wurde aufgeklärt, wie Pilze der Gattung Psilocybe dieses Halluzinogen synthetisieren.

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BIOWISSENSCHAFTEN

Fraunhofer-Forscher haben auf Basis von Süsslupinen ein proteinreiches Getränk entwickelt, das zugleich säuerlich-erfrischend schmeckt.

Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

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NEWS

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VERANSTALTUNGEN

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene.

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LABOR Reproduzierbare biologische Testungen

IMPRESSUM

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Erscheinungsweise 10 × jährlich Jahrgang 7. Jahrgang (2017) Druckauflage 12 000 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2016 11 696 Exemplare Total verbreitete Auflage 2 480 Exemplare davon verkauft ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com

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Geschäftsleiter Andreas A. Keller 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 Anzeigenverkauf SIGImedia AG Jörg Signer Pfaffacherweg 189, Postfach 19 CH-5246 Scherz Telefon +41 (0)56 619 52 52 info@sigimedia.ch Redaktion Dr. Kurt Hermann Unter Altstadt 10 CH-6301 Zug Telefon +41 (0)41 711 61 11 redaktion@sigwerb.com

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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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In der Industrie Energie und Kosten sparen

Für die Entfernung der Luft aus Haupt- und Transferkammern von Gloveboxen eignen sich drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpen.

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PUBLIREPORTAGE

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FORSCHUNGSWELT

Die Software PinCH der Hochschule Luzern unterstützt sowohl Grossunternehmen als auch KMU bei der Reduktion des Energieverbrauchs.

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Selective Laser Melting soll in Zukunft die wirtschaftliche additive Fertigung von Bauteilen aus reinem, hochleitfähigem Kupfer ermöglichen.

Im Vergleich zu anderen Planten gibt es auf der Erde offenbar viel zu wenig Stickstoff. Eine mögliche Erklärung erlauben Einschlüsse in bestimmten Diamanten

UMWELT Öl als Energiequelle für Meerestiere

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Bild: Pixabay

FOKUS

Bild 1: Der Verkehr ist für rund 40 Prozent des CO 2 -Ausstosses der Schweiz verantwortlich.

Fakten und Möglichkeiten

Mobilität ohne CO2-Ausstoss?

Die Zukunft der Mobilität ist derzeit in aller Munde. Effizient, CO2 -frei und sauber soll sie sein. Doch wie kommen wir dahin? Verbrennungsmotoren verbieten, unser Verkehrsverhalten ändern oder die Antriebssysteme schrittweise elektrifizieren – Klarheit über den Weg herrscht kaum.

Konstantinos Boulouchos Wie soll die Schweiz ihren Verkehrssektor künftig gestalten? Welche Optionen haben wir, und was sind realistische Szenarien?

Solchen Fragen widmet sich eine Arbeitsgruppe des Schweizer Kompetenzzentrums für Energieforschung auf dem Gebiet der Mobilität (SCCER Mobility). In zwei kürzlich erschienenen Berichten [1, 2] versucht sie, Fakten und Möglichkeiten aufzuzeigen.

Starten wir mit den Fakten: In den letzten drei Jahrzehnten benötigte der Schweizer Verkehr als einziger Sektor stetig mehr Energie. Heute beansprucht er (ohne internationalen Luftverkehr) knapp 30 Prozent des Endenergieverbrauchs und trägt etwa 40 Prozent zum CO 2 -Ausstoss der Schweiz bei. Von diesen Anteilen wiederum ist der Motorisierte Individualverkehr (MIV) für etwa 70 Prozent des Verbrauchs und der Emissionen verantwortlich.

Will die Schweiz die Ziele des Klimaabkommens von Paris und der Energiestrategie 2050 erfüllen, müssen alle Energiesektoren – so auch die Mobilität – in 24

weniger als 50 Jahren weitestgehend CO 2 -frei sein.

Das Bundesamt für Raumentwicklung (ARE) geht von einem Wachstum der nachgefragten Verkehrsleistung von 0 bis 40 Prozent bis 2040 aus [3]. Es ist reizvoll sich zu überlegen, was es für die CO2 -Bilanz bedeuten würde, wenn die Menschen bereit wären, ihr Verhalten zu ändern. In unserer Studie haben wir uns deshalb verschiedene Szenarien angesehen und ihr Einsparpotenzial überprüft.

Ein Beispiel: Würden alle Pendler in den fünf grössten Schweizer Städten vollumfänglich auf den ÖV umsteigen, könnte man theoretisch rund 16 Prozent CO2 -Emmissionen vermeiden. Man müsste allerdings die Transportkapazität des ÖV um 50 Prozent erhöhen. Ein ähnliches Bild ergibt sich, wenn für alle Fahrdistanzen von weniger als 10 Kilometer auf Fahrräder oder E-Bikes umgestiegen würde: Die CO 2 -Einsparungen lägen im allerbesten Fall zwischen 8 bis 19 Prozent, realistisch betrachtet aber eher im tiefen einstelligen Prozentbereich, wenn man Komforteinbussen nicht in Kauf nehmen will.

Was Technik leisten kann – zwei Wege Ziehen wir nun die absehbar verfügbaren Technologien heran: Mit diversen Optimierungen am Motor und am Fahrzeug, Hybridantrieb und dem Umstieg auf Erdgas kann man den CO2 -Ausstoss neuer Fahrzeuge bei gleicher Verkehrsleistung kurzbis mittelfristig (5 bis 15 Jahre) um etwa 50 Prozent verringern von etwa 11 auf 5,5 Millionen Tonnen CO2 /Jahr (Bild 2, links).

Wir nennen das den «evolutionären» Absenkpfad.

Der «revolutionäre» bzw. systemverändernde Weg wäre eine breitflächige Elektrifizierung der Antriebe durch Batterien und Brennstoffzellen – so wie es einige europäische Staaten andenken. Sobald man aber den Elektrifizierungspfad einschlägt, sind beträchtliche zusätzliche Mengen an Elektrizität erforderlich. Dabei gilt: Die Elektrifizierung schneidet beim CO2 -Ausstoss nur dann deutlich besser als der «evolutionäre» Weg ab, wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. Im Fall von batterieelektrischen Antrieben ist 10 /2017

Strom aus Gaskombikraftwerken knapp von Vorteil, derjenige aus dem EU-Export-Strommix leicht schlechter als der «evolutionäre» Weg (Bild 2, rechts). Für Brennstoffzellenfahrzeuge sieht der Vergleich noch ungünstiger aus.

In diesen Berechnungen ist allerdings nur der CO 2 -Ausstoss aus dem Betrieb des Fahrzeugs berücksichtigt. Wenn man auch die CO2 -Emissionen von der Herstellung dazurechnet (die grösstenteils im Ausland entstehen), zeigen Lebenszyklusanalysen, dass der gesamte CO2 -Ausstoss des MIV heute etwa 14 Millionen Tonnen CO2 /Jahr beträgt. Stammte der Strom für die Elektromobilität vollständig aus erneuerbaren Quellen, wäre das ein guter Anfang – doch ohne eine Entkarbonisierung der industriellen Prozesse lässt sich der Emissionsanteil des MIV auch in diesem Fall nicht unter 4 Millionen Tonnen CO2 /Jahr senken [5].

Fazit: Es reicht leider nicht, einfach auf Verbrennungsmotoren zu verzichten, wie das einige Länder andenken.

Autonomes Fahren löst das CO2-Problem nicht Viel diskutiert wird in letzter Zeit das Effizienzpotenzial des vollständig automatisierten Fahrens. Obwohl «car-» und insbesondere «ride-sharing» tatsächlich zu weniger und leichteren Fahrzeugen führen könnten, ist absehbar, dass die damit verbundenen Kosten-, Zeit- und Komfortvorteile die Nachfrage nach Verkehrsleistung erhöhen würden. Was letztendlich überwiegen wird, ist aus heutiger Sicht nicht klar. Deshalb rechnen wir nicht damit, dass autonome Fahrzeuge die mit der Mobilität verbundenen Energie- und Klimaherausforderungen wesentlich entschärfen.

Und wer soll das bezahlen?

Die Hürden für einen CO2 -freien Verkehr sind also hoch – nicht nur aus technischer Sicht. Entscheidend ist auch, wie eine Transformation des heutigen Mobilitätssystems möglichst kostenoptimal realisiert werden kann. Auf diesem Gebiet verstärkt das SCCER Mobility zurzeit seine sozioökonomische Forschung.

Schon heute ist klar, dass es neben CO2 -Vorschriften für die Fahrzeugflotte unabdingbar ist, alle externen Kosten (für Umwelt, Sicher10/2017

Bild: ETH Zürich

FOKUS

Bild 2: Bedarf an elektrischer Energie und CO 2 -Emissionen durch «evolutionäre» (links) und «revolutionäre» Technologieentwicklung (rechts). Der CO 2 -Fussabdruck hängt stark von der Stromquelle ab. Der geschätzte CO 2 -Emissionswert des EU-Export-Strommixes beruht auf Daten aus dem Jahr 2014 [4].

heit, Infrastruktur) in die Rechnung einzubeziehen. Nur so sind verursachergerechte Preise und kostenoptimale CO2 -Absenkpfade möglich. Gegenwärtig ist dies nicht der Fall. Etwa, wenn aus der Stromproduktion herrührende CO2 -Emissionen bei den CO2 -Vorschriften für Elektrofahrzeuge ignoriert werden. Gleich lange Spiesse für verschiedene Technologien sind aber wichtig.

Sie lassen sich mit gezielten Lenkungsmassnahmen viel effizienter erreichen als mit Subventionen [6].

Literatur [1] Boulouchos K, Cellina F, Ciari F, Cox B, Georges G, Hirschberg S, Hoppe M, Jonietz D, Kannan R, Kovacs N, Küng L, Michl T, Raubal M, Rudel R & Schenler W (2017), «Towards an Energy Efficient and Climate Compatible Future Swiss Transportation System»; Boulouchos K, Hirschberg S & Romera G [eds.]. SCCER Mobility.

ETHZ, PSI, SUPSI & ZHAW. [2] SCCER Mobility (2017), «Auf dem Weg zu einem energieeffizienten und klimafreundlichen Schweizer Mobilitätssystem».

White Paper.

[3] Federal Office for Spatial Development (ARE). 2016. Verkehrsperspektiven 2040.

Federal Office for Spatial Development, Bern.

[4] Messmer A & Frischknecht R (2016), «Umweltbilanz Strommix Schweiz 2014».

Treeze Ltd., Uster. Commissioned by the Federal Office of the Environment (FOEN).

[5] Hirschberg S et al. (2016), «Opportunities and challenges for electric mobility: an interdisciplinary assessment of passenger vehicles». Final report of the Thelma project in co-operation with the Swiss Competence Center for Energy Research «Effi cient technologies and systems for mobility». PSI, Empa & ETHZ. [6] Böhringer C, Kosch M, Landis F, Müller A, van Nieuwkoop ER & Rausch S, (2017).

«Promotion-or Steering-based Energy Policy: Assessing Efficiency and Distributional Impacts». Universität Oldenburg, ECOPLAN & ETHZ. Kontakt Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos ETH Zürich Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik Sonneggstrasse 3 CH-8092 Zürich Telefon +41 (0)44 632 56 48 boulouchos@lav.mavt.ethz.ch www.mavt.ethz.ch

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CHEMIE

Biosynthese bewusstseinserweiternder Substanzen

Die Entzauberung magischer Pilze Seit fast 60 Jahren ist der Stoff namens Psilocybin bekannt. Er verleiht den sogenannten Magic Mushrooms, auch Zauberpilze genannt, die Magie – also ihre starke psychedelische Wirkung. Ein Geheimnis blieb jedoch: Wie genau bilden die Pilze der Gattung Psilocybe diese wirkungsvolle Substanz? Das Forschungsteam um den Jenaer Professor Dirk Hoffmeister konnte es jetzt lüften.

Bild: Dirk Hof fmeister

Artefakte und Kunstwerke beweisen, dass indigene Völker Mittelamerikas bereits um 2000 vor unserer Zeitrechnung mit halluzinogenen Pilzen experimentierten. Sie verehrten die Zauberpilze und nutzten sie zu spirituellen Zwecken.

Was die Pilze zum Zaubern bringt Zwar ist die naturwissenschaftliche Forschung seit den 1950er-Jahren fasziniert von der pharmakologischen Wirkung der Pilze. Von göttlicher Zauberei und Magie lassen sich Wissenschaftler jedoch nicht beeindrucken: Schon 1958 isolierte der Schweizer Chemiker Albert Hofmann den Wirkstoff Psilocybin und klärte seine einzigartige chemische Struktur auf. Auch die Wirkungsweise des Naturstoffs, der dem Glückshormon Serotonin ähnelt, ist weitgehend nachvollzogen. Darüber hinaus zeigten erste Studien aus den 1960er-Jahren mögliche Wege auf, wie die Pilze dieses besondere Molekül bilden. Doch welche Werkzeuge, sprich Enzyme, den Pilzen die besondere Fähigkeit zur Bildung von Psilocybin verleihen, war bisher unbekannt.

Dirk Hoffmeister ist Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und leitet

Psilocybin.

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Der Pilz Psilocybe cyanescens, auch bläuender Kahlkopf genannt, ist ein stark psilocybinbildender Pilz.

eine assoziierte Forschungsgruppe am Hans-Knöll-Institut. Seinem Forscherteam gelang es nun, die Enzyme zu identifizieren, mit deren Hilfe die Pilze ihre magischen Substanzen aufbauen. Die Wissenschaftler stellten bei ihren Untersuchungen ausserdem fest, dass die Biosynthese in einer anderen Reihenfolge stattfindet, als es ältere Studien beschrieben.

Pharmazeutisches Interesse nimmt zu Mithilfe des Modellbakteriums Escherichia coli liessen sich die zuvor identifizierten Enzyme produzieren. Auf diese Weise konnten Hoffmeister und Kollegen die Wirkstoffsynthese im Labor rekonstruieren und Psilocybin ohne Pilzzellen herstellen.

Die vorangegangenen Untersuchungen waren damit bestätigt.

«Mit der Herstellung von Psilocybin mittels Enzymen machten wir einen grossen Schritt, dieses stark wirksame Molekül besser bereitzustellen», macht Hoffmeister deutlich. «Hierzulande sind Magic Mushrooms zwar hauptsächlich als Freizeitdroge bekannt und haben dementsprechend ein zweifelhaftes Image. Doch das pharma-

zeutische Interesse an deren Wirkstoff Psilocybin nimmt gegenwärtig zu», präzisiert der Professor die Bedeutung seiner Forschungsergebnisse mit dem Hinweis auf erste klinische Studien. Sie attestieren der Substanz Heilkräfte: Beispielsweise könnte sie in einer geringen Dosis die Angst von Patienten mit lebensbedrohlichem Krebs reduzieren oder die Symptome von Depressionen und Antriebslosigkeit lindern.

Originalpublikation Janis Fricke, Felix Blei, Dirk Hoffmeister, «Enzymatic Synthesis of Psilocybin», Angew Chem Int Ed Engl. 2017; DOI: 10.1002/anie.201705489

Kontakt Prof. Dr. Dirk Hoffmeister Institut für Pharmazie der Friedrich-Schiller-Universität Jena Winzerlaer Strasse 2 D-07745 Jena Telefon +49 (0)3641/949851 dirk.hoffmeister@leibniz-hki.de www.uni-jena.de

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Grafik: ETH Zürich

CHEMIE

Bescheint man Dendra 2 (rechts dessen farbgebende chemische Verbindung) mit blauem Laserlicht, fluoresziert es grün. Bescheint man es violett, ändert es seine chemische Struktur, so dass es zu einem rot fluoreszierenden Protein wird. Zu dieser Strukturänderung kommt es auch, wenn man es kurz mit blauem und gleich anschliessend mit rotem Licht (oder mit blauem und rotem Laserlicht gleichzeitig) bescheint.

Farbwechselmechanismus aufgeklärt

Rote Fluoreszenz in zwei Schritten Wissenschaftler unter der Leitung von Periklis Pantazis, Professor am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, entschlüsselten den Mechanismus, wie man Proteine, die auf Licht reagieren, in zwei Stufen dazu bringen kann, rot zu leuchten. Die Forschenden schufen damit die Grundlage für neue Anwendungen in der Mikroskopie und für funktionelle Analysen in der biologischen Forschung.

Fabio Bergamin, ETH Am Anfang stand eine Beobachtung, die ETH-Wissenschaftler vor zwei Jahren mit einem speziellen fluoreszierenden Protein machten, dem aus Korallen isolierten Dendra 2. Es fluoresziert grün. Mit Licht kann man die molekulare Struktur des Proteins so verändern, dass es seine Farbe zu Rot wechselt. Die Forscher fanden damals einen zweiten, neuen Weg für diesen Farbwechsel: Man regt es zuerst kurz mit einem blauen Laserpuls an und bescheint es sofort danach mit Nahinfrarotlicht. Dieses zweistufige Farbumschalten kann unter anderem in der Fluoreszenzmikroskopie angewandt werden, um in einem Gewebe einen dreidimensional präzise definierten Punkt, beispielsweise eine einzige Zelle, sichtbar zu machen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Periklis Pantazis, Professor am 10/2017

Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, hat diesen zweistufigen Farbwechselmechanismus nun aufgeklärt. Die Wissenschaftler nennen ihn «primed conversion». Das neue Wissen ermöglicht den Forschern, andere Proteine, die auf Licht reagieren, so zu verändern, dass auch sie in zwei Stufen angeregt werden können.

Innerhalb von Millisekunden Die Forscher der ETH Zürich, des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und des Janelia Research Campus in Ashburn, Virginia, untersuchten die mit blauem Licht aktivierten Proteine besonders genau. Sie konnten dabei zeigen, dass sich diese Proteine in einem angeregten Zustand befinden, der mehrere Millisekunden anhält. «Das ist verhältnismässig lang», erklärt Pantazis, «andere Fluoreszenzphänomene habe eine um ein Vielfaches kürzere Dauer.»

Ebenfalls konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es sich bei diesem Zustand um ein in der Quantenchemie bekanntes Phänomen, einen Triplettzustand handelt.

Nach rund fünf Millisekunden fällt das Farbprotein Dendra 2 wieder in seinen Grundzustand zurück. Zur «primed conversion» kommt es nur, wenn die zweite Stufe, das Bescheinen mit Nahinfrarotlicht, innerhalb des Triplett-Zeitfensters erfolgt.

Die Lebensdauer des Triplettzustands hängt stark von der Stabilität des Farbproteins ab, und diese wiederum ist von der genauen Abfolge der Protein-Bausteine (der Aminosäuren) abhängig. Die Wissenschaftler veränderten daher bei Dendra 2 die Aminosäuresequenz an mehreren Stellen. Dasselbe machten sie bei einem weiteren fluoreszierenden Protein, Eos, das bisher nicht zweistufig angeregt werden konnte. Aus der wissenschaftlichen Litera37

CHEMIE

tur war bekannt, dass diese Stellen für den Triplett-Zustand zentral sind.

Bei all den neuen Proteinen massen die Wissenschaftler die Dauer des Triplettzustands. Bei einigen der getesteten Proteinen verlängerte sich dieser Zustand markant. Auch konnten die Wissenschaftler das Eos-Protein so verändern, dass es ebenfalls zweistufig aktivierbar wurde.

Dasselbe gelang ihnen bei weiteren sechs bisher nicht zweistufig aktivierbaren Proteinen. «Die veränderten Proteine sind nicht nur erstmals zweistufig schaltbar, auch sind sie stabiler, und als Folge davon leuchten sie stärker», sagt Manuel Mohr, Doktorand in der Gruppe von Pantazis.

Mit jedem Mikroskop möglich Die ursprüngliche Entdeckung machten die Wissenschaftler mit einem nichthandelsüblichen Laser. Sie verwendeten dazu Licht im Nahinfrarotbereich. Mittlerweile konnten die Wissenschaftler aber zeigen, dass der Effekt auch mit handelsüblichen Rotlasern, wie sie in jedem Fluoreszenzmikroskop verbaut sind, zustandekommt.

Das heisst, «primed conversion» ist mit jedem Fluoreszenzmikroskop machbar.

«Primed conversion» kann in der Mikroskopie verwendet werden, um in einem Gewebe einen eng umrissenenen Punkt zu markieren. Dazu lenken die Wissenschaftler einen blauen und einen roten Laserstrahl so in das Gewebe, dass sich die Strahlen an einem Punkt kreuzen. Nur in diesem Kreuzungspunkt kommt es zur «primed conversion». «Weil weder blaues noch rotes Laserlicht toxisch wirken, eignet

Fluoreszierende Proteine Fluoreszierende Proteine sind aus der biomedizinischen Forschung nicht mehr wegzudenken: Wann immer ein Wissenschaftler eine Zellstruktur oder ein bestimmtes Molekül unter dem Mikroskop sichtbar machen möchte, färbt er die Zellstruktur oder das Molekül spezifisch mit einem solchen Protein ein. In der Natur kommen diese Proteine in bestimmten Quallen und Korallen vor. Mittlerweile haben Forscher eine ganze Farbpalette von synthetischen fluoreszierenden Proteinen geschaffen. Diese leuchten grün, orange, blau, rot oder gelb. Damit können auch unterschiedliche Zellstrukturen gleichzeitig sichtbar gemacht werden. Es gibt ausserdem Proteine, die erst leuchten, wenn man sie mit Licht einer bestimmen Wellenlänge bescheint. Wiederum andere wechseln bei Bestrahlung mit bestimmtem Licht ihre Farbe. sich die Methode hervorragend für lebende Organismen», sagt Pantazis. Auch Anwendungen in weiteren Mikroskopietechniken seien denkbar, darunter in der extrem hochauflösenden Mikroskopie (super-resolution microscopy), die seit einigen Jahren existiert.

Hirnkartierung und Gensequenzierung «Wir wissen jetzt, wie wir fotokonvertierbare Proteine so verändern, dass wir sie zweistufig schalten können», sagt Pantazis. Dieses Wissen haben die Forscher patentieren lassen. Die ETH-Wissenschaftler arbeiten mit Proteinexperten zusammen, um weitere in der Mikroskopie verwendete Farbproteine entsprechend zu verändern.

Kürzlich haben die Wissenschaftler Proteine so verändert, dass sie lichtgesteuert einen genaktivierenden Botenstoff abspalten lassen können, und zwar so, dass die Lichtaktivierung mit zwei Farben erfolgen kann. Forscher könnten ein Gewebe so mit Laser bestrahlen, dass sich ein blauer und ein roter Strahl an einem Punkt kreu-

zen. Damit liessen sich gezielt Gene in einer einzelnen Zelle des Gewebes aktivieren. Ausserdem lassen sich auch Proteine, die Calcium detektieren, entsprechend verändern. Diese könnten in der 3D-Hirnkartierung eingesetzt werden.

Schliesslich können Biologen die neue Technik für weitere funktionelle Analysen in 3D anwenden: Die ETH Zürich hat für das Patent bereits mehrere Lizenzen vergeben, darunter eine an eine Startup-Firma, welche die DNA-Sequenzierung in einem 3D-System entwickeln möchte.

Originalpublikation Manuel Alexander Mohr, Andrei Yu. Kobitski, Lluc Rullan Sabater, Karin Nienhaus, Christopher John Obara, Jennifer Lippincott-Schwartz, Gerd Ulrich Nienhaus, «Rational Engineering of Photoconvertible Fluorescent Proteins for Dual-Color Fluorescence Nanoscopy Enabled by a Triplet-State Mechanism of Primed Conversion», Angewandte Chemie 56 [38], 11628–11633 (2017); DOI: 10.1002/anie Quelle: ETH-News vom 19.05.2015

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CHEMIE

Warum Wassermoleküle spontan in Ionen zerfallen

Zentrale Eigenschaft von Wasser berechnet Wassermoleküle können spontan in negativ und positiv geladene Teilchen zerfallen. Chemiker der Universitäten Bonn, Rostock und Wisconsin-Madison (USA) haben diese Eigenschaft erstmals am Computer nachvollzogen.

Ihre Studie wirft Licht auf eine Reaktion, ohne die es vermutlich kein Leben gäbe.

Flüssiges Wasser besteht zum überwiegenden Teil aus neutralen H2O-Molekülen.

Diese können jedoch spontan zerfallen.

Dabei entstehen ein negativ geladenes Hydroxidion sowie ein positiv geladenes Hydroniumion. Diese Reaktion ist ausgesprochen selten: Auf zehn Milliarden Wassermoleküle kommen nur 36 Ionen.

H2O (aq) ⇄ H

+

(aq)

+ OH

−

(aq)

Eigendissoziation von Wasser So verschwindend klein diese Zahl ist: Theoretisch müsste sie noch viel niedriger sein. Die Bindungskräfte innerhalb des Wassermoleküls sind so stark, dass ein spontaner Zerfall extrem unwahrscheinlich ist. Auch tendieren die Ionen dazu, sich direkt wieder zu verbinden. In flüssigem Wasser laufen jedoch Prozesse ab, die seine Eigendissoziation fördern.

«Bei der Quantifizierung dieser Prozesse tappten die Chemiker aber bislang im Dunkeln», erklärt Eva Perlt vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. «Dabei bildet die Eigendissoziation die Grundlage für viele Säu-

re-Base-Reaktionen – also für alles, was mit dem pH-Wert zusammenhängt.» Ohne diese zentrale Eigenschaft wäre Leben, wie wir es kennen, wohl nicht denkbar.

Klassische Simulation am Rechner zu aufwendig Theoretische Chemiker nutzen heute Computermodelle, um bestimmte Reaktionen besser zu verstehen. Der Zerfall der Wassermoleküle entzieht sich jedoch klassischen Simulationen. «Da die Eigendissoziation so selten ist, müssten wir dazu im Rechner viele Milliarden Teilchen simulieren», erklärt Perlt. «Das übersteigt schlicht die Leistung der heute verfügbaren Hardware.»

Das internationale Forscherteam hat daher einen anderen Weg beschritten. Wassermoleküle sind polar; sie haben wie kleine Magneten gewissermassen einen Nordund einen Südpol. In Lösung ordnen sie sich daher zu lockeren räumlichen Strukturen an, sogenannten Clustern. Manche dieser Cluster bieten ein Milieu, in dem sich Ionen besonders wohl fühlen. Sie schaffen also eine Art Mikroumgebung, die die Eigendissoziation fördert.

«Wir haben nun in unserem Modell berechnet, welche Arten von Clustern in flüssigem Wasser vorliegen», erklärt Barbara Kirchner, Leiterin des Mulliken Center for Theoretical Chemistry an der Universität Bonn. «Dadurch konnten wir die Komplexität des Modells erheblich reduzieren. Aus der Zusammensetzung der Cluster konnten wir dann auf die Wahrscheinlichkeit schliessen, mit der die Wassermoleküle dissoziieren.»

Das Ergebnis der Berechnung deckt sich hervorragend mit den Werten, die sich in der Natur beobachten lassen. Dem transatlantischen Forscherteam gelang es auch, die Temperaturabhängigkeit des Zerfalls nachzuvollziehen. «Zwischen dem Schmelzund dem Siedepunkt des Wassers nimmt die Selbstdissoziation um etwa den Faktor 1000 zu», erläutert Ralf Ludwig von der Universität Rostock. «Diese Zunahme wird auch von unserer Computersimulation vorhergesagt.»

Originalpublikation Eva Perlt, Michael von Domaros, Barbara Kirchner, Ralf Ludwig & Frank Weinhold, «Predicting the Ionic Product of Water», Scientific Reports 7, Article number 10244 (2017); DOI:10.1038/s41598-017-10156-w

Bild: AG Kirchner/Uni Bonn

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Die Wissenschaftler berechneten die Häufigkeit verschiedener Cluster von Wassermolekülen bei unterschiedlichen Temperaturen. Manche dieser Cluster sind dazu in der Lage, negativ geladene Hydroxidonen (blau) und positiv geladene Hydroniumionen (grün) zu stabilisieren.

10/2017

Prof. Dr. Barbara Kirchner Universität Bonn Institut für Physikalische und Theoretische Chemie Beringstrasse 4 D-53115 Bonn Telefon +49 (0)228/7360442 kirchner@thch.uni-bonn.de www.chemie.uni-bonn.de

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CHEMIE

Wachstum von Graphen optimiert

Zehn Billionen Atome in Reih und Glied

Die ideale kristalline Struktur von Graphen ist ein sechseckiges Gitternetz.

Graphen bricht alle Rekorde. Es ist das dünnste und stabilste Material der Welt, ultraleicht, reissfest, elektrisch leitfähig und extrem belastbar. Seit seiner Entdeckung 2004 beflügeln die zweidimensionalen Strukturen aus Kohlenstoffatomen Phantasie und Erfindergeist: Science-Fiction-Autoren halten das Material für geeignet, um daraus Seile für einen Fahrstuhl ins Weltall zu bauen.

Materialforscher experimentieren mit Graphendisplays, Graphentransistoren und Graphenelektroden, welche die Elektronik der Zukunft leichter, stabiler und langlebiger machen sollen. In der Wissenschaft sind Folien aus hochreinem Graphen äusserst gefragt, denn mit ihnen lassen sich Gase sowie Flüssigkeiten ultradicht verpacken.

«Derzeit mangelt es allerdings noch an den Grundlagen. Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren, die sich für die Massenproduktion von Graphen eignen.

Allerdings ist dieses Material nicht frei von Defekten. Graphen höchster kristalliner Qualität lässt sich so nicht reproduzierbar herstellen», erklärt Sebastian Günther, Professor für Physikalische Chemie der TUM. Seinem Team ist es jetzt gelungen, das Wachstum von Graphenkristallen durch Chemical Vapor Deposition, der chemischen Abscheidung aus der Gasphase, kurz CVD genannt, zu analysieren, zu kontrollieren und zu optimieren.

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Theorie und die Tücken der Praxis Theoretisch ist es ganz einfach, Graphen herzustellen: Benötigt wird nur ein beheizbares Glasgefäss, ein Reaktor, in den kohlenstoffhaltiges Gas, zum Beispiel Methan, geleitet wird sowie Kupfer als Katalysator.

Bei Temperaturen von etwa 1000 Grad Celsius zersetzt sich das Methan an der Kupferoberfläche in Wasserstoff und Kohlenstoff. Während der Wasserstoff die Kupferoberfläche wieder verlässt, sammeln sich die Kohlenstoffatome bei der Chemical Vapor Deposition an der Oberfläche der verwendeten Kupferfolie. Dort vernetzen sich die Atome und bilden «GraphenFlakes», fleckenartige zweidimensionale Gebilde mit der typischen wabenartigen Struktur. Übrig bleibt der Wasserstoff, der abgesaugt werden kann.

Praktisch liegt die Tücke in einer Fülle von Details. «Das grösste Problem ist, dass das zweidimensionale Kristallgefüge oft nicht ganz homogen ist, weil das Wachstum an mehreren Stellen gleichzeitig beginnt», erläutert Jürgen Kraus, der die Untersuchungen durchgeführt hat. «Auf den ersten Blick scheint sich dann auf dem Kupfer zwar ein durchgängiger Film aus Graphen zu bilden, aber die sechseckigen Waben sind nicht alle gleich orientiert und dort, wo sie aufeinanderstossen, ist die Struktur

geschwächt.» Solche Defekte lassen sich vermeiden, wenn die Oberfläche des Kupfers frei ist von Kristallisationskeimen.

Mit seinen Experimenten konnte der Chemiker zeigen, dass sich Verunreinigungen am besten mithilfe von Sauerstoffgas – also durch Oxidation – beseitigen lassen.

Zur Vermeidung unerwünschter Nebeneffekte muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Kupferkatalysator nur geringsten Sauerstoffmengen ausgesetzt ist.

Im zweiten Teil seiner Arbeit hat Kraus analysiert, wie sich unterschiedliche Partialdrücke und Temperaturen auf die Graphenbildung bei der Chemical Vapor Deposition auswirken: Ist die verwendete Gaszusammensetzung zu wasserstoffreich, wächst überhaupt kein Graphen, ist sie zu wasserstoffarm, werden die Schichten zu dick. Nur wenn alle Parameter so gewählt werden, dass sich ein Wachstum «genügend nahe» des thermischen Gleichgewichts einstellt, bildet sich hochreines Graphen ohne Defekte im Kristallgitter.

Bild: J. Kraus/TUM

Bild: Wikipedia/AlexanderAIUS

Eine Atomlage dünn, reissfest, stabil. Graphen gilt als Werkstoff der Zukunft. Doch die hauchdünnen Kohlenstoffschichten sind schwer zu produzieren. An der Technischen Universität München (TUM) hat Jürgen Kraus freitragende Graphenmembranen hergestellt, dafür systematisch das Wachstum der Graphenkristalle untersucht und optimiert. Seine Arbeit wurde mit dem Evonik-Forschungspreis ausgezeichnet.

Mit blossem Auge erkennbar: Ein hauchdünner Graphen-Flake, der durch Chemical Vapor Deposition gewonnen wurde. Die rote Färbung der Kupferunterlage entsteht, wenn die Probe an Luft erhitzt wird.

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CHEMIE

Qualitätscheck in Italien Um die Qualität der Flakes zu überprüfen, reisten die Münchner Forscher mit ihren Proben nach Italien. Am Research Centre Elettra Sincrotrone Trieste, das über einen ringförmigen Teilchenbeschleuniger verfügt, konnten sie die Graphenschichten mit einem speziellen Mikroskop, das dank der energiereichen Synchrotron-Strahlung eine hohe Auflösung hat, chemisch und strukturell charakterisieren.

«Das Ergebnis der Machbarkeitsstudie war sehr ermutigend», berichtet Günther. «Die Bilder haben bewiesen, dass sich durch Auswahl der Parameter bei der Chemical Vapor Deposition reproduzierbare Ergebnisse erzielen lassen.»

Der bisherige Qualitätsrekord der TUMForscher: Einen Quadratmillimeter grosse Graphen-Flakes, die zehn Billionen exakt gleich ausgerichteter Kohlenstoffatome enthalten. «Der Vorteil gegenüber anderen Studien liegt hier nicht so sehr auf dem erzielten ‹Grössenrekord›, sondern in der Tatsache, dass sich die Flakes bei geeigneter CVD-Parameterwahl mit einer vorhersagbaren Wachstumsgeschwindigkeit bilden und somit geschlossene, höchstkristalline Graphenschichten mit einer Dicke von nur einem Atom innerhalb weniger Stunden herstellen lassen», resümiert Günther.

die Folie durchdringen können, ihre Energie auf die Elektronen in der Probe, sodass diese frei werden und durch die Folie nach aussen dringen. Aus ihrer Energie lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die chemische Zusammensetzung der Probe.

Originalpublikation Jürgen Kraus, Lena Böbel, Gregor Zwaschka, and Sebastian Günther, «Understanding the Reaction Kinetics to Optimize Graphene Growth on Cu by Chemical Vapor

Deposition», Annalen der Physik 2017, 1700029; DOI: 10.1002/andp.201700029 Kontakt Prof. Sebastian Günther Technische Universität München Lehrstuhl für Physikalische Chemie Lichtenbergstrasse 4 D-85748 Garching b. München Telefon +49 (0)89 289-13403 sebastian.guenther@tum.de www.pc5.ch.tum.de

Minifolien für neue Anwendungen Graphen eröffnet vor allem in der Grundlagenforschung eine Vielzahl neuer Anwendungen: So lassen sich die ultradünnen Graphenfilme beispielsweise vom Kupfer ablösen und als Abdeckfolien verwenden. Diese eignen sich, um Flüssigkeiten in einem Container einzuschliessen.

Da die Folien für langsame Elektronen transparent sind, können die Proben mit Elektronenspektroskopie und Elektronenmikroskopie untersucht werden, obwohl diese Techniken typischerweise im Ultrahochvakuum beziehungsweise im Hochvakuum durchgeführt werden.

Mithilfe der Folien wollen die Forscher künftig auch lebende Zellen, flüssigkeitsbedeckte Elektroden oder Katalysatoren unter hohem Druck mittels Fotoelektronenspektroskopie untersuchen. Bei diesem Verfahren übertragen Photonen, die 10/2017

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Bild: Sudhir Kumar, Jakub Jagielski ETHZ

CHEMIE

Auch das ETH-Logo lässt sich mit der neuen LED-Technologie ultragrün abbilden.

Leuchtdiode für ultrahochaufgelöste Displays

Grünes Licht für schönere Displays Chemieingenieure der ETH Zürich haben zum ersten Mal ultrareines grünes Licht erzeugt. Ihre neue Leuchtdiode ebnet den Weg, um die Farbqualität einer nächsten Generation von ultrahochaufgelösten Bildschirmen für TV und Smartphones sichtbar zu verbessern.

Florian Meyer, ETH Chih-Jen Shih ist richtig zufrieden. Ihm ist ein Durchbruch gelungen. «Ein so reines grünes Licht wie wir kann zurzeit niemand sonst erzeugen», sagt der Professor für Technische Chemie in seinem Labor auf dem Campus Hönggerberg. Dabei zeigt er auf eine ultradünne, biegbare Leuchtdiode (LED). Tatsächlich zeigte diese in einem feinen, hellen Grünton die drei Lettern «ETH» an.

Bedeutsam wird Shihs Entwicklung besonders im Hinblick auf die nächste Generation von ultrahochaufgelösten Displays, wie sie namentlich für Fernseher und Smartphones gebraucht werden: Damit die Bildschirme in naher Zukunft noch klarere, schärfere, detailreichere und farblich fein abgestufte Bilder anzeigen können, müssen die entsprechenden elektronischen Geräte zuerst einmal ultrareines Rot, Blau und Grün erzeugen können. Für Rot und Blau ist das heute weitgehend möglich.

Beim Grün hingegen stiess die Technik bisher an Grenzen.

Das hat vor allem mit der menschlichen Wahrnehmung zu tun: Das Auge unterscheidet bei Grün mehr Zwischenstufen als bei Rot und Blau. «Das macht die technische Erzeugung von ultrareinem Grün sehr anspruchsvoll und fordert uns in der 21 2

Technologie- und in der Materialentwicklung», sagt Sudhir Kumar, der Erstautor der entsprechenden Publikation.

Zu 99 Prozent ultrareines Grün Wie weit Shih und sein Team mit ihrem ultrareinen Grün die Tür für eine nächste Generation von Displays aufgestossen haben, offenbart der Blick auf den geltenden internationalen Standard «Rec.2020»: Dieser definiert weltweit die technischen Anforderungen an ultrahochaufgelöste Bildschirme (kurz: «Ultra HD») und stellt damit auch einen Rahmen für die weitere Forschung und Entwicklung dar. Zu den Anforderungen gehört auch eine deutliche und fürs blosse Auge ersichtliche Verbesserung der Farbqualität. Dazu sieht der Standard vor, die Farbskala, die ein Bildschirm wiedergegeben kann, und damit die Zahl der farblichen Abstufungen zu erweitern.

Ultrareines Grün spielt zur Erweiterung des Farbbereichs, des sogenannten Gamuts, eine Schlüsselrolle. Schliesslich entstehen die neuen Farbtöne, indem man die drei Grundfarben Rot, Blau und Grün technisch miteinander mischt. Je reiner die Grundfarben ausfallen, umso weiter wird der Fächer der Farbtöne, die ein Bildschirm anzeigen kann.

Shihs neue LED deckt 97 bis 99 Prozent des «Rec. 2020»-Standards ab. Zum Vergleich: die farblich reinsten TV-Bildschirme, die heute auf dem Markt erhältlich sind, erreichen den Wert für ultrareines Grün zu 73,11 bis 77,72 Prozent. Über 80 Prozent kommt keiner.

LED-Technologie kostengünstig produziert Dieses Ergebnis, an dem auch Wendelin Stark, ETH-Professor für Funktionelles Material-Engineering, sowie Forscher aus Südkorea und Taiwan mitwirkten, ist in der aktuellen September-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift «Nano Letters» erschienen. Dabei bezieht sich Shihs Durchbruch nicht allein auf das Ergebnis, sondern auch auf das verwendete Material und auf das Verfahren: Tatsächlich haben Shih und seine Mitarbeiter eine ultradünne und biegbare Leuchtdiode entwickelt, die sich mit einfachen Prozessen bei Raumtemperatur herstellen lässt und dabei reines grünes Licht aussendet.

Das sei der zweite, mindestens so wichtige Aspekt seines Durchbruchs, sagt Shih.

Bisher waren nämlich Hochtemperaturprozesse nötig, wenn man reines Licht mit der LED-Technologie erzeugen wollte. «Indem wir den gesamten Prozess bei Raumtem10 /2017

CHEMIE

Bild: Florian Meyer/ETHZ

113 GHZ + IHRE WELLENLÄNGE

Sudhir Kumar, Jakub Jagielski und Chih-Jen Shih sind richtig zufrieden mit ihrer ultragrünen Leuchtdiode.

peratur umsetzen können, ebnen wir einen Weg, wie die Industrie in Zukunft ultragrüne Leuchtdioden einfach und kostengünstig herstellen kann», sagt Jakub Jagielski, ebenfalls Erstautor des Artikels in den «Nano Letters».

Perowskit statt Indiumgalliumnitrid Im konkreten Fall haben Shih und sein Team Nanomaterialien verwendet, um die LED-Technologie weiterzuentwickeln: Leuchtdioden enthalten in der Regel einen Halbleiterkristall, der, wenn man elektrischen Strom zuschaltet, einen Teil der Elektrizität in Licht umwandelt und dieses ausstrahlt. Als Ausgangsmaterial wird dafür meistens Indiumgalliumnitrid InGaN verwendet. Dieses Material hat jedoch nicht die besten Eigenschaften, um wirklich hochreines grünes Licht zu erzeugen.

Aus diesem Grund setzte Sihs Team auf Perowskit. Dieses Mineral wird auch zur Herstellung von Solarzellen eingesetzt und kann Elektrizität vergleichsweise effizient in Licht umwandeln. Ausserdem ist es kostengünstig und trägt dazu bei, dass der Herstellungsprozess einfach und schnell funktioniert – nach nur einer halben Stunde sei Perowskit chemisch gereinigt und einsatzbereit, sagt Shih.

Winzigste 4,8 Nanometer dünn ist das Perowskit-Material in Shihs Leuchtdiode. Das ist ein wichtiger Faktor, denn die Farbqualität hängt mit der Dicke und Form des verwendeten Nanokristalls zusammen. Vereinfacht gesagt, heisst das: Die Kristalle sollten weder dicker noch dünner sein, um genau das erwünschte reine Grün zu erzielen.

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Nächster Schritt: Effizienz steigern Diese flexiblen, ultradünnen Leuchtdioden sind so biegbar wie ein Blatt Papier. Deshalb liessen sie sich kostengünstig und schnell mit bestehenden Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder im Tintenstrahldruck herstellen, sagt Shih und ergänzt, mit Blick auf eine künftige industrielle Produktion sei das von Vorteil.

Bis zu einer ersten industriellen Anwendung der ultragrünen Leuchtdiode wird es trotz allem noch eine Weile dauern. In einem nächsten Schritt muss Shih zuerst die Effizienz seiner Leuchtdiode steigern. Heute erzielt sein LED bei der Umwandlung von 10/2017

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Bild: Sudhir Kumar, Jakub Jagielski ETHZ

Bild: Sudhir Kumar, Jakub Jagielski ETHZ

CHEMIE

Ein LED so flexibel und biegbar wie ein Blatt Papier und zudem erst noch bei Raumtemperatur herstellbar.

Elektrizität zu Licht eine Effizienz von 3 Prozent. Zum Vergleich: TV-Bildschirme, die heute schon auf dem Markt sind, erreichen eine Effizienz von 5 bis 10 Prozent.

In der nächsten Version seiner Leuchtdiode will Shih deshalb eine Effizienz von 6 bis 7 Prozent erzielen. Weiteres Steigerungspotenzial sieht Shih auch bei der Lebensdauer seiner Leuchtdiode: Heute

Die winzige 4,8 Nanometer dünne ultragrüne Leuchtdiode ist aus neuen «zweidimensionalen Nanokristallen» gemacht.

leuchtet sie über zwei Stunden lang.

Marktgängige Bildschirme sollten aber jahrelang funktionieren.

Originalpublikation Sudhir Kumar, Jakub Jagielski, Nikolaos Kallikounis, Young-Hoon Kim, Christoph Wolf, Florian Jenny, Tian Tian, Corinne J. Hofer, Yu-Cheng Chiu, Wendelin J. Stark, Tae-Woo

Lee, and Chih-Jen Shih, «Ultrapure Green Light-Emitting Diodes Using Two-Dimensional Formamidinium Perovskites: Achieving Recommendation 2020 Color Coordinates», Nano Lett., Publication Date (Web): August 3, 2017; DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01544 www.ethz.ch

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Bild: ETH Zürich

BIOWISSENSCHAFT

Die von den ETH-Forschern untersuchten Bakterien können Methanol als Kohlenstoffquelle nutzen.

Methylobacterium extorquens synthetisiert komplexe Verbindungen

Wie ein Bakterium von Methanol leben kann Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Fabio Bergamin, ETH Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der Erde reichlich vor und kann auch durch die Vergärung von Biomasse in Biogasanlagen hergestellt werden. Aus Methan lässt sich Methanol produzieren. Beide Moleküle sind einfach gestrickt; sie besitzen ja nur ein Kohlenstoffatom. Daraus grössere Moleküle mit mehreren Kohlenstoffatomen zu synthetisieren, ist allerdings komplex.

Was für Chemiker mit Aufwand verbunden ist, schaffen einige Bakterienarten mit links. Diese Bakterien können Methanol als Kohlenstoffquelle nutzen, um daraus Energieträger und Baustoffe herzustellen.

Sie leben vor allem auf Pflanzenblättern, und sie kommen auch bei uns in grosser Zahl auf jedem Blatt vor. Das von der Wissenschaft am besten untersuchte solche 10/2017

Bakterium heisst Methylobacterium extorquens. Forscher unter der Leitung von Julia Vorholt, Professorin für Mikrobiologie, haben nun alle Gene bestimmt, welche dieses Bakterium benötigt, um von Methanol leben zu können.

Bakterien nutzen Pflanzen-Abfallprodukt «Pflanzenblätter produzieren natürlicherweise Methanol. Es entsteht als Abfallprodukt bei der Zellwand-Biosynthese», erklärt Vorholt. Ähnlich einem Hybridfahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Elektrizität betrieben werden kann, kann Methylobacterium extorquens je nach Verfügbarkeit entweder grössere Kohlenstoffverbindungen (zum Beispiel Carbonsäuren) als Nährstoff nutzen oder das Methanol der Pflanzen. «Im Methanolbetrieb können die Bakterien alle komplexen Verbindungen, die sie benötigen, aus diesem kleinen Mo-

lekül aufbauen. Das ist eine ausserordentliche Leistung», so Vorholt.

Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun zeigen konnten, besitzt Methylobacterium extorquens knapp 150 Gene, die es spezifisch für diesen Methanolbetrieb braucht. 95 davon waren bisher unbekannt.

Um diese Gene zu finden, kreierten die Forscher aus Vorholts Gruppe gemeinsam mit Wissenschaftlern der Gruppe von Beat Christen, Professor für experimentelle Systembiologie, im Labor gut eine Millionen Bakterienmutanten. Diese gaben sie einerseits in ein Kulturmedium mit Methanol, andererseits in ein gewöhnliches Nährmedium, das Bernsteinsäure enthielt. Dabei interessierten sie sich vor allem für die Mutanten, die in gewöhnlichem Medium normal wuchsen, in Methanol jedoch schlecht oder gar nicht. Solches Verhalten zeigt an, dass in den Mutanten ein spezifisch für die Nutzung von Methanol erforderliches Gen beschädigt ist.

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BIOWISSENSCHAFT

«Mit dem gewählten Verfahren konnten wir von jedem einzelnen Gen des Bakteriums bestimmen, ob es für das Wachstum auf Methanol benötigt wird. Wir konnten somit alle dafür erforderlichen Gene identifizieren», erklärt Andrea Ochsner, Doktorandin in Vorholts Gruppe.

Signal zum Umschalten auf Methanolbetrieb Eines der auf diese Weise neu identifizierten Gene überraschte die Forscher besonders, denn es war bisher nur von Pflanzen bekannt sowie von einer Gruppe Bakterien, welche CO2 aus der Luft nutzen können. Das Gen ist die Bauanleitung für ein Enzym, das einen Zucker herstellt, der für die CO2 -Nutzung wichtig ist. Auf eine Bedeutung dieses Gens in Methylobacterium extorquens gab es bisher keine Hinweise.

Wie die Forscher nun zeigen konnten,

stellt jedoch auch dieses Bakterium den Zucker her, nämlich dann, wenn es Methanol vorfindet. Im Gegensatz zu den Pflanzen verwendet Methylobacterium extorquens den Zucker allerdings nicht weiter als Baustoff. Vielmehr gehen die Wissenschaftlerinnen davon aus, dass es ihn als Signal einsetzt, um dann, wenn Methanol vorhanden ist, auf Methanolbetrieb umstellen zu können.

Nachdem die Wissenschaftler die Bedeutung dieses einen Gens aufgeschlüsselt haben, möchten sie nun weitere der neu identifizierten Gene untersuchen.

Mikroorganismen neue Fähigkeiten verleihen Die Erforschung der genetischen Grundlagen von Methylobacterium extorquens ist auch für die Biotechnologie interessant. In Forschungslabors wird dieses Bakterium

7.– 8. Februar, Messe Zürich

bereits eingesetzt, um damit komplexe Moleküle herzustellen. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, das Bakterium so zu steuern, dass dieses die gewünschten Moleküle in grösseren Mengen produziert.

Weil alle für das Wachstum auf Methanol relevanten Gene nun identifiziert sind, ist es auch denkbar, diese Gene in andere Mikroorganismen einzuschleusen. So könnte man auch diesen Organismen die Fähigkeit verleihen, auf Methanol zu wachsen – und damit diesen Rohstoff in Zukunft biotechnologisch vielfältig nutzen.

Originalpublikation Andrea M. Ochsner et al., «Transposon Sequencing Uncovers an Essential Regulatory Function of Phosphoribulokinase for Methylotrophy», Current Biology, 17. August 2017; DOI: org/10.1016/j.cub.2017.07.025 www.ethz.ch

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BIOWISSENSCHAFTEN

Kommunikation von Nervenzellen

Botenstoffausschüttung in Synapsen Damit Nervenzellen miteinander kommunizieren können, werden an den Synapsen chemische Botenstoffe freigesetzt. Dies geschieht durch synaptische Vesikel, die dabei mit der Zellmembran verschmelzen. Dieser Vorgang findet nicht irgendwo statt, sondern an ganz bestimmten Stellen innerhalb der Synapse. Berliner Wissenschaftler haben das Molekül identifiziert, das diese Freisetzungsorte definiert und damit ein grosses Rätsel in den Neurowissenschaften gelöst.

Synapse, wird ein Calciumeinstrom durch spannungsabhängige Calciumkanäle ausgelöst, der wiederum dazu führt, dass synaptische Vesikel die in ihnen gespeicherten chemischen Botenstoffe (Neurotransmitter) innerhalb weniger Millisekunden freisetzen. Hierzu verschmelzen die Vesikel

Illustration: Mathias Böhme, Andreas Grasskamp, Alexander Walter, FMP

Ob wir sprechen, laufen oder denken – unser Nervensystem ist ständig gefordert, elektrische Signale in chemische Informationen um- und wieder zurückzuwandeln.

Diese Umwandlung passiert an den Kontaktstellen der Nervenzellen, den Synapsen. Erreicht ein elektrisches Signal die

Neurotransmission: Proteine generieren und platzieren «release sites» Illustration synaptischer Aktivität und Struktur in unterschiedlichen Grössenordnungen beginnend mit der Aktivitätskarte (links) einer neuromuskulären Endplatte der Larve einer Taufliege (Drosophila melanogaster), an welcher neuronale Aktivität der Fliege in die Kontraktion des Muskels umgewandelt wird. Schwarze Punkte kennzeichnen einzelne Kontakte (Synapsen) zwischen Nerv und Muskel. Die Aktivität einzelner Synapsen wurde bestimmt und je nach Stärke von blau (= inaktiv) bis rot (= sehr aktiv) dargestellt. Durch ein hoch auflösendes (STED-) Mikroskop konnte die Zusammensetzung der Orte synaptischer Aktivität (sogenannte «Aktive Zonen») genauer gezeigt werden: Hier lokalisieren die Proteine Bruchpilot (BRP, grün) und Unc13A (magenta).

Ein Schema skizziert die Funktion der Proteine genauer: Unc13A generiert «release sites» an denen synaptische Vesikel freigesetzt werden, die Botenstoffe (Neurotransmitter) enthalten. Diese Unc13A-«release sites» (also Freisetzungsorte) werden durch BRP an der Synapse genauestens positioniert um eine präzise regulierte Signalübertragung zu garantieren.

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blitzschnell mit der Zellmembran. Die chemischen Botenstoffe werden dann von der benachbarten Nervenzelle wiederum in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.

Wissenschaftler nennen das synaptische Transmission – ein Vorgang, der elementar für Lebewesen ist.

Bekannt ist, dass jede Synapse über eine Vielzahl solcher Vesikel verfügt; die Botenstoffausschüttung jedoch nur an wenigen, ganz bestimmten Stellen erfolgt. Ähnlich wie bei den Startblöcken auf einer Aschenbahn, scheint die räumliche Anordnung der Freisetzungsorte zum Calciumkanal elementar für die synaptische Transmission zu sein: Hier wie dort entscheidet der richtige Abstand darüber, wie schnell das Ziel erreicht werden kann – in diesem Fall, wie schnell das elektrische Signal in chemische Information umgewandelt wird. Bislang war allerdings unklar, welches Molekül diese Freisetzungsorte (engl. «release sites») festlegt.

Raum und Zeit aneinander gekoppelt Wissenschaftler vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und der Freien Universität in Berlin (FU) konnten das fragliche Molekül nun identifizieren: Es handelt sich um das Protein Unc13A, das seinerseits nicht unbekannt ist. Schon in 1970er-Jahren wurde es entdeckt, da Fehlfunktionen dieses Proteins bei Fadenwürmen zu unkoordinierten (engl. «uncoordinated») Bewegungen führten, was die Namensgebung erklärt und schon damals auf eine wichtige Funktion des Moleküls schliessen liess.

«Wir wussten, dass das Molekül eine wichtige Rolle beim Informationstransfer spielt, denn wenn es fehlt, findet keinerlei synapti1 37

BIOWISSENSCHAFTEN

sche Transmission mehr statt», erläutert Neurowissenschaftler Alexander Walter vom FMP. «Wir wussten aber nicht, dass es auch den Platz für die Freisetzung der Botenstoffe aus Vesikeln definiert.»

Erfolg nach vier Jahren Rund vier Jahre haben die Forscher gebraucht, um das Molekül durch die Kombination verschiedenster Messungen und optischer Methoden dingfest zu machen.

Wurde das Protein innerhalb der Synapse anders platziert, verschoben sich auch die Freisetzungsorte und somit ihr Abstand zum Calciumkanal. Dadurch änderte sich auch der zeitliche Verlauf der synaptischen Transmission, ähnlich dem Verschieben von Startblöcken zur Ziellinie. Je nach Abstand dauerte der Informationstransfer kürzer oder länger.

Damit bewahrheitete sich die Vermutung, dass die räumliche Anordnung der Freisetzungsorte fest an den zeitlichen Ablauf des Informationstransfers zwischen Nervenzellen gekoppelt ist. «In unserer Studie konnten wir zeigen, dass die exakte Positionie-

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rung nötig ist, damit die synaptische Transmission mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfolgen kann», betont Walter.

«Ich denke, jeder kann sich vorstellen, wie wichtig dies für eine akkurate Kommunikation zwischen den Nervenzellen und somit für die Funktionsweise des Gehirns ist.»

man dessen Funktionsweise verstanden hat», meint Neurowissenschaftler Walter.

Darum habe die Identifizierung des Moleküls auch Bedeutung über die Grundlagenforschung hinaus und könnte eines Tages Patienten mit neurologischen Erkrankungen zu Gute kommen.

Bedeutung über die Grundlagenforschung hinaus

Originalpublikation Suneel Reddy-Allaet al., «Stable Positioning of Unc13 Restricts Synaptic Vesicle Fusion to Defined Release Sites to Promote Synchronous Neurotransmission», Neuron; DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2017.08.016

Der Fund hat wesentlich zum Verständnis beigetragen, wie die synaptische Transmission organisiert ist und eine grosse Lücke in den Neurowissenschaften geschlossen.

Die Untersuchungen wurden an der Fruchtfliege durchgeführt, jedoch lässt sich das Prinzip der definierten Freisetzungsorte durch das essentielle Vorhandensein von Unc13 Proteinen auf höhere Organismen bis zum Menschen mit hoher Wahrscheinlichkeit speziesübergreifend übertragen.

«Erst wenn wir die Grundlagen synaptischer Transmission kennen, sind wir in der Lage, auch pathologische Veränderungen zu verstehen, ähnlich der Tatsache, dass man ein Auto erst reparieren kann, wenn

Kontakt Dr. Alexander M. Walter Leibniz Institute für Moleculare Pharmakologie Charitéplatz 1 D-10117 Berlin Telefon +49 (0)30-450-639-026 awalter@fmp-berlin.de www.leibniz-fmp.de

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BIOWISSENSCHAFTEN

Schutzmechanismus in der Lunge

Pilzsporen zerstören sich selbst Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen hat herausgefunden, wie sich der menschliche Körper gegen Pilzinfektionen schützt. Mit jedem Atemzug gelangen Pilzsporen in die Lunge, wo sie gefährliche Infektionen auslösen können. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das Immunsystem des Menschen bei den Pilzsporen in der Lunge eine Art Selbstmord-Mechanismus auslöst, der dazu führt, dass die Pilzsporen sich selbst zerstören.

Bild: Universität Göttingen

lichen Mykosen führen, die häufig tödlich enden. Die Forscher gingen nun der Frage nach, weshalb Menschen mit intaktem Immunsystem nicht häufiger krank werden, obwohl wir jeden Tag bis zu zehn Milliarden Pilzsporen einatmen, und wie ein intaktes Immunsystem die Pilzsporen daran hindert, sich im Körper zu verbreiten.

Selbstmord-Mechanismus ausgelöst

Giesskannenkschimmel (Aspergillen) bilden zahlreiche asexuelle Sporen (Konidien), die an den dargestellten Kondienträgern (Konidiophoren) zunächst zusammenhängend gebildet und dann einzeln über die Luft weltweit verbreitet und gegebenenfalls eingeatmet werden.

An invasiven Pilzinfektionen sterben jedes Jahr weltweit genauso viele Menschen wie an Malaria oder Tuberkulose. Bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem können die Sporen über die Lunge ins Blut und von dort aus in Organe einschliesslich des Gehirns gelangen. Das kann zu gefähr-

«Wir haben herausgefunden, dass unsere menschlichen neutrophilen Immunzellen in der Lunge bei den Pilzsporen eine Art Selbstmord-Mechanismus auslösen», erläutert Gerhard Braus, Leiter der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Genetik der Universität Göttingen. Pilzsporen verfügen über ein Schutzprotein gegen den pilzlichen Selbstmord (Bir1). «Gelangen Pilzsporen in die Lunge, sendet die Immunzelle ein Signal aus, welches das Schutzprotein Bir1 ausschaltet», so Braus. «Als Folge davon zerstört sich die Pilzspore selbst.» Enthält ein Pilz mehrere Gene für Bir1 und damit auch mehr Bir1-Protein als normal, bleibt die Pilzspore geschützt und zerstört

sich nicht. Die Ergebnisse der Studie könnten die Grundlage bilden für neue therapeutische Strategien, um Patienten mit Pilzinfektionen zu heilen.

Originalpublikation Neta Shlezinger, Henriette Irmer, Sourabh Dhingra, Sarah R. Beattie, Robert A. Cramer, Gerhard H. Braus, Amir Sharon, Tobias M. Hohl, «Sterilizing immunity in the lung relies on targeting fungal apoptosislike programmed cell death», Science, Vol. 357, Issue 6355, pp. 1037–1041 (2017); DOI: 10.1126/science.aan0365

Kontakt Prof. Dr. Gerhard Braus Georg-August-Universität Göttingen Fakultät für Biologie und Psychologie Grisebachstrasse 8 D-37077 Göttingen Telefon +49 (0)551 39-33771 gbraus@gwdg.de www.uni-goettingen.de/molmibio

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BIOWISSENSCHAFTEN

Modifizierter Schimmelpilz produziert Aconitsäure

Ein neuer Rohstoff für Biokunststoffe?

Forschern des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) ist es erstmals gelungen, den im Boden vorkommenden Schimmelpilz Aspergillus niger so zu verändern, dass dieser Aconitsäure herstellen kann – möglicherweise ein neuer Rohstoff und nicht zuletzt wichtiger Baustein für die Produktion ungiftiger Biokunststoffe.

Das acib setzt damit einen weiteren, wichtigen Schritt in der Erzeugung chemischer Produkte aus erneuerbaren Ressourcen, um die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu beenden..

Schimmelpilze sind chemische Spezialisten, die durch Fermentation aus erneuerbaren Rohstoffen wie Zucker eine Reihe wichtiger Produkte herstellen können, angefangen bei Antibiotika über Waschmittelzusätze bis hin zu Säuerungsmittel für die Lebensmittelindustrie. Das weiss auch die Industrie zu schätzen, die seit über 50 Jahren Zitronensäure – mengenmässig eines der wichtigsten Produkte – grosstechnisch mithilfe von Schimmelpilzen wie Aspergillus niger herstellt.

Alter Pilz, neuer Rohstoff In einem Projekt in Kollaboration mit der niederländischen Universität Leiden ist es dem Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) gelungen, den Bodenpilz als Produktionsvehikel von Aconitsäure zu ver-

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wenden. «Wir haben ein besonderes Eiweiss aus einem anderen Pilz entdeckt, das gezielt Aconitat aus den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, heraustransportieren kann», erklärt acib-Projektleiter Matthias Steiger. In den Schimmelpilz eingebracht, stellt dieser die wichtige Biochemikalie erstmals gezielt in einem Bioprozess her.

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Wichtiger Schritt für biobasierte Produkte Bisher wurde Aconitsäure, die ihren Namen von der Pflanze Eisenhut (Aconitum napellus) trägt, als Nebenprodukt der Zuckerrübe isoliert. Sie kommt in sehr geringen Mengen ebenso als Teil des Stoffwechsels in den Zellen eines jeden Lebewesens vor, wo sie die Umsetzung von Zuckern und Fetten in Energie ermöglicht.

Dank der neuen Produktionsmethode soll Aconitsäure nun vor allem für die chemische Industrie interessant werden. «Ester der Aconitsäure können zum Beispiel als Bausteine für die Herstellung von Biopolymeren dienen und damit erdölbasierte Kunststoffe ersetzen. Ausserdem eignet sie sich als ungiftige Alternative für Weichmacher, für die Verwendung als Befeuchtungsmittel oder als Ausgangsstoff für andere Chemikalien», weiss Diethard Mattanovich, der im neuen Rohstoff sogar die Herstellung von Produkten möglich sieht, «die es bisher noch nicht gab.»

Noch wird es es ein paar Jahre dauern, bis der Prozess industriell implementiert werden kann. Dennoch wird der Säure schon jetzt Grosses zugeschrieben. Mattanovich: «Insbesondere im Rahmen der Bioökonomie setzt die neue Entwicklung einen weiteren wichtigen Schritt, in Zukunft alle chemischen Produkte aus erneuerbaren

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Zitronensäure (1), cis-Aconitsäure (2) und trans-Aconitsäure.

Rohstoffen herzustellen und die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu beenden.»

Weitere Informationen Marzena L. Blumhoff, Matthias G. Steiger, Diethard Mattanovich, Michael Sauer, «Targeting enzymes to the right compartment: Metabolic engineering for itaconic acid production by Aspergillus niger», Metabolic Engineering Volume 19, September 2013, Pages 26–32, www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1096717613000578

Quelle: www.acib.at (modifiziert) 10 /2017

LABOR

Automatisiertes Labor in der Cloud

Reproduzierbare biologische Testungen Mit dem vom Fraunhofer IPA entwickelten Cellshare – dem automatisierten Labor in der Cloud – können ab sofort Substanzhersteller sowie Pharma- und Chemieunternehmen zellbasierte Tests automatisiert und zentralisiert durchführen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Kosten und Zeit sparen, höchste Qualitätsstandards einhalten. Das System wurde auf der Life-Science-Messe Miptec in Basel vorgestellt. Ein webbasierter Konfigurator befindet sich in Vorbereitung.

Bilder: Fraunhofer IPA

Virtual Fort Knox möglich. Dies bietet dem Kunden die Möglichkeit, mit bekannten Ausgangsmaterialien beziehungsweise mit kommerziell erhältlichen Analysetools, Auswertungen durchzuführen.» Neben weiteren deutschen Firmen gibt es vor allem auch amerikanische Unternehmen, die sich mit ähnlichen Konzepten beschäftigen. «Der Bedarf von Seiten der Industrie ist in jedem Fall da.

Innen- und Aussenansicht des Cellshare-Labors.

Täglich entstehen neue Substanzen mit neuen Eigenschaften, die später in Produkten der Industrie und des täglichen Lebens zum Einsatz zu kommen. Was bereits im Vorfeld beispielsweise bei Endverbraucherprodukten vermieden werden soll, sind Unverträglichkeiten. Aus diesem Grund müssen alle Substanzen vor ihrem Einsatz auf Unbedenklichkeit getestet werden. Dieser Vorgang ist sehr zeit- und arbeitsintensiv. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen sowie Startups sind die Reproduzierbarkeit und ein zeitlich begrenzter erhöhter Durchsatz häufig überlebenswichtig für die unternehmerische Weiterentwicklung. Hohe Investitionskosten für eine automatisierte Infrastruktur sowie laufende Unterhaltskosten sind daher auf Dauer nicht tragbar. Genau hier setzt das Cellshare-Konzept an.

Zellbasierte Tests automatisiert durchführen Als Cloud-Lab soll Cellshare dem Kunden rund um die Uhr Zugriff auf zellbasierte Prozesse bieten. Der Auftrag erfolgt online.

Die Tests können vom Kunden über eine 10/2017

webbasierte Oberfläche individuell definiert werden, vergleichbar mit der Konfigurationsmöglichkeit beim Onlinekauf eines Autos. Die Durchführung erfolgt nach Beauftragung automatisiert auf der Infrastruktur von Cellshare. Die Ergebnisdaten stehen in der vom Fraunhofer IPA mitentwickelten Cloud-Plattform Virtual Fort Knox echtzeitnah zur Verfügung. Eine Auswertung oder grafische Darstellung soll es dem Kunden erleichtern, Ergebnisse einzusehen und auch verschiedene Versuche direkt miteinander zu vergleichen. Weiterführende Untersuchungen kann der Kunde auf der Plattform unter gleichen Versuchsbedingungen durchführen.

Standardisierung als Mehrwert

Forschung am Anfang Die Forschung ist jedoch noch relativ am Anfang», so Walter. Aktuell arbeiten Walter und sein Team in den letzten Zügen eines Cellshare-Konfigurators. Ein Freischalten, damit Kunden diesen testen können, ist für Herbst dieses Jahres geplant.

Um einen medialen Eindruck zu bekommen, was die Industrie erwartet, hat sich Vince Ebert im Rahmen der IPA-Erklär-Videoreihe «Zukunftsforscher trifft Zukunftsforschung» der Cellshare-Thematik angenommen, die er wie folgt zusammenfasst: «Das läuft ja wie bei einem Länderspiel: Tiki-Taka. In meinem nächsten Leben werde ich nicht Physiker, sondern Laborautomatisierer.» Einblicke in die komplette Laborinfrastruktur erhalten Interessenten direkt beim Fraunhofer IPA in Stuttgart. www.ipa.fraunhofer.de

Der Mehrwert heisst hier Standardisierung.

Moriz Walter, Projektleiter von Cellshare am Fraunhofer IPA, ergänzend zu den Vorteilen: «Dadurch wird ein hohes Mass an Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Daten sichergestellt. Zudem ist das Einbinden von Zulieferern oder Analysesoftware – ähnlich wie in einem Appstore – innerhalb von 2 31

LABOR

Kampf gegen Fehlgerüche

In Klebstoffen unerwünschte Substanzen

Kaum ein modernes Produkt kommt ohne Klebstoff aus – der Werkstoff findet sich beispielsweise in Windschutzscheiben, Handydisplays, Schuhen, Teppichen, Pfl astern oder Physiotapes. Einige der Kleber enthalten Lösungsmittel, die unangenehm riechen. Aber auch lösungsmittelfreie Produkte oder solche mit geringen Gehalten an Lösungsmitteln können einen scharfen und intensiven Geruch verströmen.

Darüber, welche Substanzen für die Ausdünstungen verantwortlich sind und wie sie auf den menschlichen Organismus wirken, ist bislang wenig bekannt. Dieser Problematik widmet sich die Abteilung Analytische Sensorik am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV. Andrea Büttner und ihr Team haben unter anderem vier lösungsmittelfreie Acrylklebstoffe untersucht, um herauszufinden, welche Komponenten die störenden Gerüche auslösen.

Hinweis auf bedenkliche Substanzen Bei ihren Analysen konnten die Wissenschaftler 27 Geruchstoffe identifizieren, die die Fehlgerüche verursachen, darunter Methylmethacrylat, Acetophenon, 1-Buta-

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Bild: Fraunhofer IV V

Dass Klebstoffe unangenehm riechen, wird allgemein als selbstverständlich hingenommen. Doch das muss nicht so sein, wie Fraunhofer-Forscher herausgefunden haben. In umfangreichen Analysen konnten sie Substanzen identifizieren, die für die störenden Gerüche verantwortlich sind. Bislang liegen hierzu kaum wissenschaftliche Studien vor. Hersteller erhalten nun die Möglichkeit, den Produktionsprozess zu optimieren.

Den Freisinger Forschern stehen zahlreiche Analysegeräte wie die Gaschromatografie zur Verfügung, um die Verursacher von störenden Gerüchen in Acrylklebstoffen aufzuspüren.

nol, 4-Metylphenol, Phenylessigsäuremethylester und Essigsäure. 20 Substanzen wurden erstmals als geruchsaktive Bestandteile von Klebstoffen entdeckt wie beispielsweise Borneol. Ebenso variantenreich wie die nachgewiesenen Geruchsstoffe waren die Geruchseindrücke, die von stechend, fruchtig, lederartig, rauchig bis schimmelig reichen. «Wenn Produkte besonders stark riechen, kann das darauf hinweisen, dass bedenkliche Substanzen enthalten sind», so Büttner. Einige der Proben enthielten phenolische Verbindungen, die im Verdacht stehen, erbgutverändernd zu sein.

Büttner sieht einen deutlichen Handlungsbedarf, die Produktentwicklung von Klebstoffen zu optimieren: «Unsere Analysen zeigen, dass eine Reihe der gefundenen Substanzen eliminiert werden

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müssten – nicht nur im Hinblick auf die Geruchsbelästigung. Die starken Gerüche können durchaus Kopfschmerzen und Schwindel hervorrufen. Man sollte es in Frage stellen, dass ein Kleber riecht. Hier müsste sich das Bewusstsein sowohl auf Verbraucher- als auch auf Herstellerseite ändern.»

Unterstützung von Herstellern Die Fraunhofer-Wissenschaftler bieten Herstellern Lösungen und zielgerichtete Strategien, um Klebstoffe ebenso wie andere Non-Food-Produkte des täglichen Bedarfs – dazu gehören unter anderem Lacke, Bindemittel, Möbel, Weichmacher, Reinigungsmittel und Kunststoffe – im Hinblick auf die enthaltenen Geruchsstoffe zu verbes10 /2017

LABOR

sern. «Wir haben uns die Aufgabe gestellt, die Hersteller bei der Produktentwicklung zu unterstützen. Denn diese können die verursachenden Komponenten mit ihren eigenen Methoden oft nicht kennen, hier ist eine Spezialanalytik erforderlich ebenso wie geschulte Probanden, um die Auslöser und eventuelle Verunreinigungen sowie beim Herstellungsprozess entstehende Nebenstoffe aufzuspüren», betont Büttner.

Mit ihren Forschungsergebnissen legen die Wissenschaftlerin und ihre Kollegen darüber hinaus die Basis zur physiologischen und toxikologischen Bewertung der störenden Substanzen.

gleich zu Referenzverbindungen bewertet.

Die Gesamtintensität und das persönliche Gefallen oder Missfallen eines Geruchseindrucks werden evaluiert, die Mittelwerte der Bewertungen zu einem Geruchsprofil zusammengefasst.

Experte in Sachen Klebstoffe ist Philipp Denk, Kollege von Büttner. Der Freisinger Forscher untersucht klebende Komponenten aller Art, etwa in Lebensmittelverpackungen sowie im medizinischen Bereich, und fokussiert sich aktuell auf die Gruppe der Acrylklebstoffe. Sein nächstes Analyse-

Hohe analytische Anforderungen Bei ihren Analysen setzen die Forscher auf verschiedene Methoden und Geräte wie etwa die Gaschromatografie und die Massenspektrometrie, die es ermöglichen, unter realen Lebensbedingungen simulierte Expositionsstudien durchzuführen und somit die freigesetzten Substanzen nicht nur zu erkennen, sondern auch zu quantifizieren. Das heisst, die Forscher ermitteln, welche Mengen bei normalem Gebrauch freigesetzt werden.

Kurzum: Die analytischen Anforderungen sind hoch. Die Nachweismethoden müssen ein möglichst breites Spektrum an chemischen Substanzklassen abdecken, da Geruchsstoffe keine chemisch einheitliche Gruppe sind, sondern nur als gemeinsames Merkmal haben, dass sie flüchtig sind.

Zudem muss zwischen geruchsaktiven und geruchsinaktiven Substanzen unterschieden werden. Maschinelle Detektoren sind dazu aber nur teilweise in der Lage, die menschliche Nase ist hier bislang unersetzbar. Daher stehen sensorische Tests am Anfang der Untersuchungen.

Immer der Nase nach Am Fraunhofer IVV wird in wöchentlichen Sitzungen eine Gruppe von Testpersonen sensorisch geschult und zu Geruchsexperten ausgebildet. Die Prüfpersonen erhalten die Proben in geruchsneutralen Glasgefässen. Das Sensorikpanel legt für jede Probe charakteristische Geruchsattribute fest, die es in einer zweiten Sensoriksession auf einer vorgegebenen Skala im Ver10/2017

objekt sind Physiotapes, die teilweise ebenfalls geruchsintensive Klebstoffe enthalten. «Durch den globalisierten Markt und den stetig wachsenden Internethandel sind die amtlichen Prüfbehörden überfordert und nicht mehr in der Lage, die Fülle der Produkte auf störende oder bedenkliche Komponenten zu untersuchen.

Wir werden daher neue Technologien entwickeln, um Produkte dezentral im Hinblick auf bedenkliche Komponenten testen zu können». www.ivv.fraunhofer.de

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Bild: Welleschik/Wikipedia

MEDIZIN

Die Samenkapseln des Schlafmohns enthalten Milchsaft, der als Opiumrohstoff dient.

Mechanismus der Opiumwirkung aufgeklärt

Schmerzfrei ohne Opiumrausch Opium stillt Schmerzen, indem es Ionenkanäle in schmerzempfindlichen Zellen blockiert – daher empfehlen sich diese Kanäle als Ansatzpunkte einer Schmerzbehandlung, die ohne Opiumverabreichung auskommt. Das zeigte eine Forschungsgruppe aus der Marburger Universitätsmedizin gemeinsamen mit deutschen und amerikanischen Beteiligten, indem es das Zusammenwirken von Molekülen aufklärte, die an der Schmerzempfindung beteiligt sind.

Opium – der Saft des Schlafmohns – ist das effektivste Mittel gegen Schmerzen, bringt jedoch gravierende Nebenwirkungen mit sich: neben der Abhängigkeit zum Beispiel Verstopfung und Atembeschwerden.

Das Betäubungsmittel lindert Schmerzen, indem seine Bestandteile an Opioidrezeptoren koppeln. «Wie die zellulären Mecha-

nismen funktionieren, durch die Opioidrezeptoren auf die Schmerzempfindlichkeit der Haut wirken, war bislang nicht bekannt», erklärt Johannes Oberwinkler von der Philipps-Universität, der die Untersuchungen leitete.

Opioidrezeptoren kommen unter anderem in denjenigen unserer Sinneszellen vor, die

Schmerzsignale weiterleiten; in den Lebenswissenschaften nennt man diese Zellen Nozizeptoren. Sinnesempfindungen beruhen auf elektrischen und chemischen Signalen. Voraussetzung hierfür ist die Aktivität von Proteinen, die als Kanalproteine bezeichnet werden, weil sie elektrisch geladene Teilchen aus einer Zelle nach aus-

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MEDIZIN

sen oder nach innen schleusen, sodass sich eine elektrische Spannung auf- oder abbaut. In den schmerzempfindlichen Sinneszellen oder Nozizeptoren sind an diesem Vorgang unter anderem sogenannte TRPM3-Kanäle beteiligt.

Die Rolle von TRPM3-Kanälen Welche Bedeutung haben diese Ionenkanäle für die Schmerzstillung durch Opium und verwandte Substanzen? Lässt sich die nebenwirkungsreiche Verabreichung von Opium umgehen, wenn man schmerzlindernd auf die Nozizeptoren einwirken möchte?

Die Forschungsgruppe um Oberwinkler stellt in ihrer Studie eine Verbindung zwischen Opioidrezeptoren, die unmittelbar mit dem Opiumbestandteil Morphin interagieren, und den TRPM3-Kanälen her, die in denselben Zellen lokalisiert sind.

Um herauszufinden, welchen Einfluss die TRPM3-Kanäle auf das Schmerzempfinden ausüben, führten Oberwinkler und sein Team Experimente an Zellkulturen durch: Sie aktivierten Opioidrezeptoren, indem sie Morphin zusetzten – dieser Opiumbestandteil ist seit Langem als Kopplungspartner der Rezeptoren bekannt.

Ausserdem testete die Forschungsgruppe die Wirkung der morphinähnlichen synthetischen Substanz DAMGO. Das Ergebnis: Schaltet man Opioidrezeptoren an, indem man sie durch Morphin oder DAMGO reizt, so hemmen sie die Aktivität der TRPM3-Kanäle. Diese sind dann zum Beispiel weniger durchlässig für Calcium- und Natriumionen als normalerweise. Auf diese Weise lassen sich Schmerzempfindungen lindern. Das Team identifizierte darüber hinaus weitere Moleküle, die an der Wechselwirkung zwischen Opioidrezeptoren und TRPM3-Kanälen beteiligt sind.

Diese Moleküle vermögen die Kanalproteine ebenfalls zu hemmen.

Keine unerwünschten Nebenwirkungen Wenn es gelingt, die TRPM3-Kanäle auf andere Weise als durch Opiumbestandteile zu blockieren, erzielt man ebenfalls schmerzstillende Ergebnisse, aber unter Umständen mit weniger nachteiligen Folgen als bei einer Opiumverabreichung. «Bei Mäusen zeigen sich keine unerwünschten Nebenwirkungen, wenn ihnen das TRPM3-Gen fehlt», führt das Autorenteam um Oberwinkler hierzu aus. «Medikamente, die sich gegen TRPM3-Kanäle richten, könnten daher ein brauchbares Mittel gegen Schmerz sein.»

Originalpublikation Dembla S et al., «Anti-nociceptive action of peripheral mu-opioid receptors by G-beta-gamma protein-mediated inhibition of TRPM3 channels», e-Life 2017; DOI: 10.7554/eLife.26280

Kontakt Professor Dr. Johannes Oberwinkler Philipps-Universität Marburg Institut für Physiologie und Pathophysiologie Deutschhausstrasse 1–2, D-35037 Marburg Telefon +49 (0)6421-28 65427 johannes.oberwinkler@uni-marburg.de, www.uni-marburg.de

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MEDIZIN

Neue Waffe im Kampf gegen Arthrose?

Mit Algen Arthrose behandeln

Marc Estermann, Empa Arthrose ist die meistverbreitete Gelenkserkrankung; rund 90 Prozent aller über 65-jährigen Personen sind – in unterschiedlichem Ausmass – davon betroffen.

Aber auch bei jüngeren Personen ist die degenerative Erkrankung verbreitet. Bei Arthrose wird das Knorpelgewebe im Gelenk, eine Art Schutzschicht auf den Knochen, das die Gelenke «schmiert», mit der Zeit abgebaut. Dies kann extrem schmerzhafte Folgen für die betroffenen Personen haben, da mit dem Knorpelabbau Entzündungsreaktionen einhergehen. Im späteren Verlauf der Erkrankung sind die Knochen dann nicht mehr ausreichend geschützt und können direkt aufeinander treffen.

Von Arthrose können sämtliche Gelenke des Körpers betroffen sein, am häufigsten ist sie jedoch am Kniegelenk, am Hüftgelenk und in den Fingern. Die Krankheit gilt bis anhin als unheilbar. Gängige Behandlungsmethoden wie Entzündungshemmer und Schmerzmittel bekämpfen in erster Linie die Symptome. Als letzter Ausweg hilft dann oft nur noch eine Operation, bei der das betroffene Gelenk durch ein künstliches ersetzt wird.

gesagt aus Palmentang (lat. Laminaria hyperborea) – gewonnene Polysaccharid Alginat, das bestimmten extrazellulären Biomolekülen aus Knorpelgewebe ähnelt.

Die Forscher haben Alginat mit Sulfatgruppen chemisch modifiziert und anschliessend in gelöster Form zu Zellkulturen gegeben, um die Reaktion verschiedener Zelltypen auf das modifizierte Polysaccharid zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass Alginatsulfat den oxidativen Stress – eine häufige Ursache von Zellschäden bzw. sogar Zellsterben – erheblich senken kann, und zwar umso besser, je mehr Sulfatgruppen an das Alginatmolekül angehängt waren.

Ausserdem war Alginatsulfat in der Lage, die Entzündungsreaktion zu unterdrücken, wiederum in Abhängigkeit von der Anzahl der Sulfatgruppen: Sowohl in menschlichen Knorpelzellen, sogenannten Chondrozyten, als auch in Makrophagen – den «Fresszellen» unseres Immunsystems – konnte Alginatsulfat die Expression von Genen, die eine Entzündungsreaktion auslösen, herunterregulieren. Die Algenmoleküle sollten damit den Abbau der Gelenkknorpel verlangsamen. «Die Hoffnung ist, dass sie den Abbau sogar stoppen können», so der Empa-Forscher Markus Rottmar.

Erste Forschungsergebnisse machen Hoffnung

Die Forschungsarbeiten gehen weiter

In Laboruntersuchungen ist es dem Team um die ETH-Forscherin Marcy Zenobi-Wong und die Empa-Forscherin Katharina Maniura nun gelungen, gemeinsam mit dem Sintef in Norwegen eine Substanz zu identifizieren, die das Potenzial hat, den Knorpelabbau in den Gelenken aufzuhalten. Dabei handelt es sich um das aus den Stielen von Braunalgen – genauer

Die Alginatsulfate wurden bisher nur in vitro, also im Labor mit Zellkulturen, untersucht. Aufgrund der ermutigenden Ergebnisse soll die Forschung nun aber weitergehen. Als nächstes müssen die Substanzen im Tierversuch getestet werden. Ist auch dies erfolgreich, können anschliessend klinische Studien mit Testpersonen folgen. Diese Tests sind indes

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Bild: Wikipedia/Sergey S. Dukachev

Forscher der ETH Zürich, der Empa und des norwegischen Forschungsinstituts Sintef sind einem neuen Ansatz zur Behandlung von Arthrose auf der Spur. Basis dafür ist ein Polysaccharid, ein langkettiges Zuckermolekül, aus Braunalgen. Chemisch modifiziert senkt dieses «Alginat» den oxidativen Stress, wirkt in Zellkulturversuchen entzündungshemmend und unterdrückt die Immunreaktion gegen Knorpelzellen und bekämpft damit Ursachen von Arthrose.

Grundlage des neuen Ansatzes zur Behandlung von Arthrose sind Braunalgen.

langwierig und aufwendig. Sollte alles einwandfrei funktionieren, dürfte es daher trotzdem noch einige Jahre dauern, bis Arthrosepatienten und -patientinnen mit Alginatsulfat behandelt werden können.

Originalpublikation Anne Kerschenmeyer, Øystein Arlov, Vera Malheiro, Matthias Steinwachs, Markus Rottmar, Katharina Maniura-Weber, Gemma Palazzoloae and Marcy Zenobi-Wong, «Anti-oxidant and immune-modulatory properties of sulphated alginate derivatives on human chondrocytes and macrophages», Biomater. Sci., 2017, 5, 1756-1765; DOI: 10.1039/c7bm00341b Kontakt Prof. Dr. Marcy Zenobi-Wong ETH Zurich Tissue Engineering and Biofabrication Otto-Stern-Weg 7 CH-8093 Zürich Telefon +41 (0)44 632 50 89 marcy.zenobi@hest.ethz.ch www.biofabrication.ethz.ch

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ERNÄHRUNG

Ideal für Sport und Wellness

Proteindrink aus Lupinen Der Markt für Getränke im Bereich Sport, Gesundheit und Wellness bringt immer neue Produkte hervor. Jetzt haben Fraunhofer-Forscher auf Basis von Süsslupinen ein proteinreiches Getränk entwickelt, das zugleich säuerlich-erfrischend schmeckt. Die Herstellung des Lupinengetränks ist in jeder Brauerei möglich.

Doch die Pflanze aus der Familie der Hülsenfrüchtler, zu der auch Bohnen, Erbsen oder Erdnüsse gehören, stellte die Experten vor ein anderes Problem: Sie enthält nämlich wie alle oben genannten Hülsenfrüchte Phytinsäure. Diese bindet wertvolle Mineralien, hemmt Enzyme und gilt daher als wenig bekömmlich.

Bild: Fraunhofer IV V

Protein bleibt erhalten, Phytin wird abgebaut

Als wildwachsende Pflanze zum Verzehr nicht geeignet, doch die Zuchtlupinen liefern hochwertiges Protein und können so als Grundlage für gesunde Erfrischungsgetränke dienen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV haben ein Verfahren entwickelt, das Lupinensamen als Grundlage für ein proteinhaltiges Getränk mit erfrischend-säuerlichem Geschmack verwendet. Als Ko operationspartner war der Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie an der Technischen Universität München am Projekt beteiligt.

Die Forscher hatten bei ihrem Vorhaben einige Hürden zu überwinden. Gerade die Verbindung von Proteinen und erfrischendem Geschmacksprofil stellt eine echte Herausforderung dar. Denn Proteine sind in der Regel nicht im sauren pH-Bereich löslich. Die Lupine macht hier eine Ausnahme, da sie eine Proteinnebenfraktion enthält, die sich auch im sauren pH-Bereich lösen lässt.

Die Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das bei der Verarbeitung der Süsslupinen die wertvollen Proteine erhält und gleichzeitig die unerwünschte Phytinsäure reduziert.

Die Experten setzen auf eine Kombination aus Getreidemalz und speziellen Mikroorganismen. Letztere bauen die Phytinsäure hydrolytisch, also mit Hilfe von Wasser, ab.

Dabei kommt ein zweistufiger Maischeund Fermentationsprozess zum Einsatz.

Dieser eigentlich unkomplizierte, aber dennoch empfindliche Prozess wurde von den Forschern an mehreren Stellen optimiert und angepasst.

Am Ende steht ein Lupinenextrakt in Form von Paste oder Pulver. Dieser dient als Ausgangspunkt für ein bekömmliches,

Gut zu wissen Lupine Pflanze aus der Familie der Hülsenfrüchtler, Unterfamilie Schmetterlingsblütler. Man unterscheidet verschiedene Varianten, darunter Süsslupinen, Gelbe und Blaue Lupinen. Die wildwachsenden Pflanzen sind giftig und besonders für Allergiker gefährlich.

Für die Nahrungsmittelherstellung verwendet werden die ungiftigen Zuchtlupinen. Die Lupinensamen sind proteinreich und eignen sich daher als Grundlage für die Herstellung von Nahrungsmitteln.

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Mälzen Keimvorgang, bei dem Getreide in Malz umgewandelt wird.

Maischen Bei diesem Verfahren werden Rohstoffe mit Hefepilzen vermischt und Wasser zugesetzt. Aus der Stärke in Kartoffeln oder Getreide entsteht Zucker und Zucker wird in Alkohol umgewandelt.

Fermentation Organische Stoffe werden mit Bakterien, Hefen oder Pilzen versetzt. So wird ein enzymatischer Prozess in Gange gesetzt.

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ERNÄHRUNG

nahrhaftes und zugleich erfrischendes Getränk. Durch den Einsatz des Extrakts als Getränkegrundstoff lässt sich der Proteingehalt gezielt einstellen. Es sind viele unterschiedliche Geschmacksrichtungen möglich, das Lupinenextrakt schmeckt relativ neutral.

Wer bei den Stichworten Getreidemalz, Maische und Fermentation an Bier denkt, liegt durchaus richtig. Der Herstellungsprozess ähnelt dem Bierbrauen und nutzt Apparate wie Maischpfanne, Läuterbottich oder Gärtank, über die jede Brauerei verfügt. Grosse Zusatzinvestitionen sind also nicht erforderlich. «Auch kleine Brauereien haben die Möglichkeit, mit geringem ökonomischem Risiko Erfrischungsgetränke im Bereich Sport, Wellness oder Gesundheit anzubieten», meint Caroline Fritsch, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IVV. «Die Herstellung der Lupinendrinks ist letztlich nicht schwieriger als Bier brauen», ergänzt Osen.

Erfrischend wie ein kühles Pils, aber reich an Protein und garantiert alkoholfrei – wer gerade vom Sport zurückkommt, holt sich mit dem Lupinendrink ein stärkendes, kalorienarmes und wohlschmeckendes Getränk aus dem Kühlschrank. Vergleichbar einem kühlen Molkegetränk, das mit Kohlensäure versetzt ist, aber auf pflanzlicher Basis also laktosefrei und vegan. Auch ökologiebewusste Verbraucher können guten Gewissens zum Lupinendrink greifen, denn die pflanzlichen Grundstoffe stammen aus regionalem Anbau.

Wer nun auf die Idee kommt, beim sommerlichen Spaziergang versuchsweise an einer Süsslupine zu naschen, der sei gewarnt. Wild wachsende Lupinen enthalten giftige Bitterstoffe und sind insbesondere für Allergiker gefährlich.

Die Süsslupine ist nicht die einzige Pflanze, auf die Fraunhofer-Forscher ihre Aufmerksamkeit richten. Auch andere Hülsenfrüchte wie Bohnen oder Erbsen könnten als

Grundlage für gesunde und proteinhaltige Getränke dienen. Die Herstellungsverfahren müssen dazu nur leicht angepasst werden. «Der Prozess ist jetzt gut etabliert. Wir versuchen im nächsten Schritt die Verfahren auf andere Rohstoffe anzuwenden, um eine grössere Produktvielfalt zu erreichen», meint Projektleiter Osen. «Gerade regionale proteinreiche Pflanzen wie Erbsen oder Bohnen haben grosses Potenzial.»

Kontakt Karin Agulla Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV Giggenhauser Strasse 35 D-85354 Freising Telefon +49 (0)8161 491-120 karin.agulla@ivv.fraunhofer.de www.ivv.fraunhofer.de

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NEWS

E RZE – IN KÜRZ Ü K N I – E Z R Ü K IN KÜRZE – IN

■ Über 400 angehende Bachelor aus der ganzen Schweiz haben am 11. September 2017 an der ZHAW in Wädenswil die Einführungswoche begonnen.

Die sogenannte «Startwoche» vor dem offiziellen Semesterbeginn bildet den Einstieg für das Studium in einer der fünf Fachrichtungen Biotechnologie, Chemie, Lebensmitteltechnologie, Umweltingenieurwesen oder Facility Management. www.zhaw.ch ■ Michael N. Hall, Professor am Biozentrum der Universität Basel, erhält den Lasker Basic Medical Research Award 2017 – eine der höchsten Auszeichnungen in der biomedizinischen Forschung. Der Biochemiker hat mit seiner Erforschung des Proteins TOR ein Schlüsselelement für die Steuerung des Zellwachstums entdeckt, das auch für die Entstehung von Krankheiten wie Krebs und Diabetes verantwortlich ist. www.unibas.ch ■ Bereits das neunte Jahr in Folge wurde Roche zum nachhaltigsten Unternehmen (Group Leader) innerhalb der Pharma-, Biotechnologie- und Life-Sciences-Branche im Dow Jones Sustainability Index (DJSI) gekürt. Die Auszeichnung basiert auf einer eingehenden Bewertung der wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Leistungsfähigkeit des Unternehmens. Der Dow Jones Sustainability Index dient

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als Vergleichsindex für Investoren, die ihr Portfolio nach nachhaltigen Kriterien ausrichten. www.roche.com ■ Eine Verschärfung des europäischen Einsparziels für Energie auf 40 Prozent bis 2030 wäre nach Ansicht von Utz Tillmann, Hauptgeschäftsführer des deutschen Verbands der Chemischen Industrie e.V. (VCI) ein falsches Signal für die wirtschaftliche Erholung in Europa. Die Chemie nutze Energie auch für die Herstellung von Produkten, die gerade in Zukunft benötigt werden, um in anderen Sektoren der Wirtschaft CO2 -Emissionen einzusparen. Zudem garantiere der europäische Emissionshandel bereits, dass Branchen wie die Chemie ihre Klimaschutzziele sicher erreichten und damit auch Energie effizienter nutzten. www.vci.de ■ Der Spore Grant (Specialized Programs of Research Excellence), einer der wichtigsten nationalen Grants der USA, wurde an die Cornell University (NY) verliehen und fördert auch das beteiligte Department for BioMedical Research (DBMR) der Universität Bern. Mit mehr als zwei Millionen Franken wird ein interessantes Berner Projekt unterstützt, das die Resistenz von Krebszellen bei Prostatakrebs erforscht und zu besseren Behandlungsmöglichkeiten beitragen könnte. www.unibe.ch

■ Grundfos, der dänische Anbieter für Pumpen und Pumpensysteme, gewinnt weiter global Marktanteile und verbessert das Finanzergebnis im ersten Halbjahr 2017. Der Umsatz belief sich im ersten Halbjahr 2017 auf 1,64 Mrd. Euro, was im Vergleich zum Umsatz im ersten Halbjahr 2016 einer Steigerung von 5,8 Prozent (5,5 Prozent in lokalen Währungen) entspricht. www.ch.grundfos.com ■ Die Werner Siemens-Stiftung ermöglicht mit einer Schenkung von zwölf Millionen Schweizer Franken den Aufbau des Zentrums für EinzelatomElektronik und -Photonik. Die ETH Zürich und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bauen das Zentrum auf, das von ETH-Professor Jürg Leuthold vom Institut für Elektromagnetische Felder koordiniert wird. www.ethz.ch ■ Das Spezialchemieunternehmen Clariant hat einen Joint-Venture-Vertrag mit Tiangang Auxiliary Co., Ltd. unterzeichnet. Tiangang Auxiliary ist ein in Privatbesitz befindlicher Hersteller und führender Anbieter von UV-Lichtschutzmitteln in China. Durch die Investition von Clariant Performance Additives und Tiangang im Umfang von mehreren Mio. CHF wird eine hochmoderne Produktionsstätte in China geschaffen, die die steigende lokale Nachfrage nach Prozessstabilisatoren und Lichtschutz-

mitteln in Wachstumsmärkten wie der Textil- und Automobilindustrie erfüllt. www.clariant.com ■ Bayer und Ginkgo Bioworks haben ein neues Unternehmen gegründet, das im Bereich des pflanzlichen Mikrobioms tätig sein wird. Dabei soll die Fähigkeit von Mikroben verbessert werden, den Pflanzen Stickstoffdünger zur Verfügung zu stellen und so ein Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft geleistet werden. Die Vereinbarung umfasst eine Serie-A-Investition durch die Muttergesellschaften sowie Viking Global Investors LP in Höhe von 100 Millionen US-Dollar. Das neue Unternehmen wird seinen Standort in Boston haben sowie im kalifornischen West Sacramento www.news.bayer.de ■ Endress+Hauser hat im EcoVadis-Audit das Zertifikat Gold Recognition Level erhalten und konnte das Ergebnis aus dem Vorjahr nochmals verbessern.

Geprüft wurden im Audit 21 Kriterien aus den Kategorien Umweltschutz, Arbeitsbedingungen, faire Geschäftspraktiken und nachhaltige Beschaffung. In allen Bereichen erreichte das Unternehmen eine Bewertung über dem Durchschnitt und erhielt das Zertifikat in Gold. Das Unternehmen gehört damit zu den führenden zwei Prozent von allen Zulieferern, die von EcoVadis bewertet wurden. www.endress.com

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NEWS

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Zerihun Tadele mit der stabileren Zwerghirse am Institut für Pflanzenwissenschaft.

Tef ist Äthiopiens wichtigstes Grundnahrungsmittel für rund die Hälfte der über 100 Millionen Einwohnerinnen und Einwohner. Kleinbauern pflanzen die Zwerghirse auf etwa einem Drittel der Fläche, die für den Getreideanbau zur Verfügung steht.

Tef ist bei Bauern und Konsumenten wegen seiner Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche klimatische Bedingungen, an nasse und auch trockene Böden sowie wegen dem hohen Ernährungsgehalt beliebt.

Er ist zudem glutenfrei und reich an Mineralien, was das Getreide zu einem wertvollen und gesunden Nahrungsmittel macht.

Diesen Vorteilen steht jedoch der geringe Ernteertrag gegenüber: Er liegt meistens weit unter jenem von Weizen und Reis. Hauptgrund hierfür ist der lange, schwache Stängel der Pflanze. Dieser knickt in der Reifephase und bei Wind und

Regen leicht um. Das Umknicken beeinträchtigt nicht nur die Qualität und Quantität des Getreides, es macht auch das maschinelle Ernten schwierig.

Forscher am Institut für Pflanzenwissenschaften IPS der Universität Bern haben eine Tef-Sorte mit kürzeren und kräftigeren Halmen gezüchtet.

Diese Pflanzen haben in Äthiopien mehrjährige Feldtests erfolgreich bestanden. Jetzt sollen Kleinbauern mit dieser neuen Sorte und weiteren, die in der Entwicklung stecken, bessere Ernten erzielen. Seit 2006 unterstützt die Syngenta Stiftung das Tef Improvement Project, das unter der Leitung von Zerihun Tadele steht. Nun setzt sie die Förderung mit weiteren 2,75 Millionen Franken fort.

Quelle: Medienmitteilung der Universität Bern, von der Redaktion bearbeitet.

10 /2017

NEWS

Mehr zugelassene Medikamente

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Bild: Interpharma

m3/h kWh

Medikamentenmarkt nach Kassenpflicht nach Wert.

Alle Medikamente, die in der Schweiz erhältlich oder für den Export aus der Schweiz bestimmt sind, müssen vom Schweizerischen Heilmittelinstitut (Swissmedic) zugelassen werden. 2016 wurden 42 Humanarzneimittel mit neuen Wirkstoffen zugelassen. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, ging der gesamte Bestand der Zulassungen stark zurück. Im Jahr 1990 betrug deren Zahl 10 119 Einheiten.

Damit lag sie um über 1700 Einheiten höher als heute.

Nicht alle Medikamente werden von den Krankenkassen vergütet. Die kassenpflichtigen Medikamente sind in der Spezialitätenliste (SL) des Bundesamts für Gesundheit (BAG) aufgeführt. Deren Umfang hat in den letzten Jahren zugenommen, unter anderem auch deshalb, weil Generikahersteller verpflichtet sind, alle Packungsgrössen des Originalpräparats anzubieten.

Die SL umfasste Ende 2016 insgesamt 2948 Präparate in 9784 Packungen. 93 Prozent davon waren verschreibungspflichtig), die restlichen 7 Prozent waren rezeptfrei erhältlich.

2016 waren über 41 Prozent 10/2017

aller SL-Packungen Generika.

Von den 2016 neu in die SL aufgenommenen Packungen waren es über 55 Pozent.

Nicht alle Medikamente, die von der Grundversicherung vergütet werden, sind verschreibungspflichtig. Zwar ist der Grossteil der kassenpflichtigen Arzneimittel, die 2016 wertmässig rund 83.8% des Gesamtmarkts ausmachten, verschreibungspflichtig. Es gibt aber auch rezeptfrei erhältliche Medikamente, die von der Grundversicherung bezahlt werden (4.5% des Gesamtmarkts). Dafür ist in jedem Fall eine ärztliche Verschreibung notwendig. Liegt kein Rezept vor, so werden die Kosten auch nicht von der Grundversicherung übernommen. Umgekehrt ist wertmässig etwas weniger als die Hälfte des Markts der nicht kassenpflichtigen Medikamente verschreibungspflichtig. Dazu zählen etwa hormonelle Verhütungsmittel.

Quelle: Artikel von Carolin Lorber, Interpharma (gekürzt).

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VER ANSTALTUNGEN

Studieren an der ZHAW in Wädenswil An den Info-Anlässen werden die Fachhochschule und die verschiedenen Studiengänge vorgestellt und Interessierte individuell beraten. Das Aus- und Weiterbildungsangebot umfasst derzeit fünf Bachelor-Studiengänge, drei Master-Studiengänge und ein breites Weiterbildungsprogramm.

Weitere Informationen unter: www.zhaw. ch/lsfm/studium.

Bilder: ZHAW

Das Departement Life Sciences und Facility Management der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften befindet sich in Wädenswil, verteilt auf die zwei Standorte Campus Grüental und Campus Reidbach. Gelehrt und geforscht wird in den Bereichen Umwelt, Ernährung/Lebensmittel, Life Sciences sowie Facility Management. Derzeit sind über 1500 Studierende an der ZHAW in Wädenswil eingeschrieben.

Campus Grüental.

Text: www.zhaw.ch/Kurt Hermann

Datum

Studiengang

Ort

31. Oktober 2017, 17.30 bis 19.30 Uhr

Bachelorstudium (alle 5 Studiengänge)

Campus Reidbach, Haupt gebäude RT, Einsiedlerstrasse 31 (Bushalt Reidbach)

14. November 2017, Masterstudium in Life Sciences Campus Grüental (= Bushalt), 18.00 bis 20.00 Uhr (alle 4 Vertiefungsrichtungen) Hauptgebäude GA Masterstudium in Umwelt 21. November 2017, und Natürliche Ressourcen 18.00 bis 20.00 Uhr (3 Vertiefungsrichtungen)

Campus Grüental (= Bushalt), Hauptgebäude GA/Raum 215

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10 /2017

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Ölfreie Vakuumsysteme für den Einsatz an Gloveboxen

Drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpen An Gloveboxen entfernen meist ölgedichtete Drehschieberpumpen die Luft aus Haupt- und Transferkammer.

Hauptgrund hierfür sind oft die niedrigeren Investitionskosten im Vergleich zu anderen Vakuumtechnologien. Die durch den Dauerbetrieb der Drehschieberpumpe verursachten Energie-, Wartungs- und Instandsetzungskosten sind allerdings sehr hoch. Für den Betrieb an Gloveboxen reichen in vielen Fällen die Leistungsdaten einer vierstufigen Chemie-Membranpumpe aus. Durch den Einsatz von drehzahlgeregelten Chemie-Pumpständen werden die Mehrkosten der Beschaffung eines solchen Vakuumsystems durch die deutlich tieferen Betriebskosten in kürzester Zeit kompensiert, wie dies das Beispiel bei der Firma F. Hoffmann-La Roche AG illustriert.

Daniel Guthauser ist seit 2004 bei der Firma F. Hoffmann-La Roche AG in Basel der technische Verantwortliche für das Metallkatalyselabor. Er ist für die einwandfreie Funktion aller technischen Anlagen zuständig, damit die Chemiker und Laboranten ihre Versuche darin durchführen können.

Die Druckautoklaven unterschiedlichster Grössen müssen für die Verfahrensforschung und Entwicklung immer wieder gewartet und angepasst werden. Die Vakuumversorgung der Glovebox war jahrelang sein Sorgenkind, und er suchte nach einer geeigneten Lösung.

Vacuubrand: Herr Guthauser, welche Voraussetzungen bringen Sie für diese Tätigkeit mit?

Daniel Guthauser: Bevor ich meine Ausbildung zum Chemikanten (heute Chemieund Pharmatechnologe) begann, hatte ich bereits eine Lehre als Automechaniker abgeschlossen. So habe ich unter anderem auch Löten und Schweissen gelernt.

Für meine Tätigkeit als technischer Verantwortlicher in diesem Metallkatalyselabor kommt sowohl mein Fachwissen in der Chemie, als auch meine technische und elektronische Ausbildung zum Tragen.

Nebst den Reaktoren steht eine Glovebox in Ihrem Labor. Für welche Zwecke wird diese eingesetzt?

In erster Linie für die Lagerung der sauerstoffempfi ndlichen Metallkatalysatoren.

Vereinzelt werden auch kleine Synthesen von weniger als 1 g in der Glovebox durchgeführt. Da einerseits durch den Schleusenbetrieb, andererseits auch durch die 10/2017

lysator dient zur Neutralisierung des Sauerstoffes, mit dem Molekularsieb werden die Lösemitteldämpfe aufgefangen.

Daniel Guthauser ist technischer Verantwortlicher für das Metallkatalyselabor der Firma F. Hoffmann-La Roche AG in Basel.

Diffusion der Handschuhe immer etwas Sauerstoff in die Kammer gelangen kann, herrscht dort eine Überlagerung von 2 bis 5 mbar Überdruck mit Argon als Schutzgas. Der Sauerstoffgehalt in der Kammer ist kleiner 2 ppm. Dieser Wert wird permanent überwacht.

Kommen auch Lösemittel zum Einsatz?

Im Einsatz sind verschiedene Lösungsmittel, wie Ethanol, Methanol, Toluol, Triethylamin oder Methylenchlorid. Daher wird die Argonüberlagerung ständig im Kreislauf über einen Kupferkatalysator und ein Filter mit Molekularsieb geführt. Der Kupferkata-

Welche Aufgaben erfüllt die Vakuumpumpe bei der Glovebox?

Die Pumpe wird für drei unterschiedliche Prozesse benötigt. Erstens für die Druckstabilisierung in der Glovebox. Durch das Arbeiten mit den Handschuhen entsteht immer ein gewisser Überdruck. Um diesen zu korrigieren, öffnet ein Ventil zur Pumpe, das den zu hohen Druck senkt. Zweitens für den Inertisierungsprozess der Schleusen. Hier werden mehrere Zyklen gefahren, bei denen die Vakuumpumpe die Schleuse zuerst evakuiert, bevor diese dann mit Argon begast wird. Weiterhin wird die Vakuumpumpe bei der Regeneration der verschiedenen Filter verwendet.

Mit welchem Vakuumsystem wurde zuerst gearbeitet? Wie hat sich dieses bewährt?

Ursprünglich wurde vom Hersteller der Glovebox eine Drehschieberpumpe geliefert. Diese Pumpe lief während 24 Stunden im Dauerbetrieb, obwohl sie nicht ununterbrochen benötigt wurde. Da die Glovebox mit der Pumpe im Labor steht, war der Lärm der Pumpe eine Dauerbelästigung für die Mitarbeiter. Um diesem Lärm zu begegnen, wurde die Pumpe in einem schallisolierten Möbel aufgestellt.

Dies wiederum verursachte eine hohe Wärmeentwicklung im Möbel, was generell zu Problemen und im Hochsommer, sogar zum Totalschaden der Drehschieberpumpe führte.

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Bilder: Vacuubrand GmbH + CO KG

FIRMEN BERICHTEN

Glovebox in Kombination mit einer drehzahlgeregelten Vario-Membranpumpe.

Am Anfang war die Lösemittelbelastung auch noch grösser. Das Filter mit dem Molekularsieb war viel schneller gesättigt und so kamen mehr Dämpfe ins Öl der Drehschieberpumpe, was eine halbjährliche Wartung zur Folge hatte. Später konnten dann die Serviceintervalle bis zu einem Jahr verlängert werden. Diese Wartungsund Instandsetzungsarbeiten verursachten entsprechend hohe Kosten.

Aus diesen Gründen kam der Wunsch nach einer leiseren Pumpe, die nur dann läuft,

Vierstufige Vacuubrand Vario-Membranpumpe MV 10C NT Vario.

Siemens Control Panel zur Konfiguration der Glovebox.

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wenn sie benötigt wird und weniger Wartungs- und Unterhaltskosten verursacht.

Wie sind Sie vorgegangen?

Ich habe mein Anliegen Roland Leu von der Firma Vacuubrand geschildert. Er ist für mich seit Jahren die erste Ansprechperson, wenn es um Fragen im Zusammenhang mit Vakuum für Anwendungen im Labor geht. An Messen und bei seinen Besuchen hier in der Roche haben wird das Thema diskutiert. Bereits vor einiger Zeit hat er mir eine Chemie-Membranpumpe zum Testen vorbeigebracht. Zu Beginn waren wir erschrocken über den deutlich höheren Anschaffungspreis gegenüber der Drehschieberpumpe und warteten noch mit der Beschaffung. Nachdem die Probleme mit der Drehschieberpumpe nach wie vor da waren und das Vertrauen in die Beratung durch Roland Leu vorhanden war, kauften wir die vierstufige drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpe MV 10C NT Vario für unsere Glovebox.

Wie bewährte sich bis jetzt die drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpe?

Da das Endvakuum der Chemie-Membranpumpe nicht ganz so tief ist, wie das der Drehschieberpumpe, werden für den Schleusenbetrieb zwei Abpumpzyklen mehr benötigt als vorher. Diese Änderung kann problemlos in der Steuerung der Glovebox einprogrammiert werden. Da wir mehrheitlich die kleine Schleuse verwenden, die grosse Schleuse hingegen nur wenig benutzen und wir pro Zyklus jeweils

nur auf 400 mbar begasen, ist der Mehrverbrauch durch Argon vernachlässigbar.

Die drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpe MV 10C NT Vario passt die Drehzahl des Motors dem Prozess an. Wenn an der Glovebox nicht gearbeitet wird, regelt die Pumpe die Drehzahl bis zum Stillstand zurück. Beim Arbeiten in der Box, beim Schleusenbetrieb und beim Regenerationsbetrieb geht dann die Drehzahl dem Bedarf entsprechend hoch. Die drehzahlgeregelte Chemie-Membranpumpe ist daher bedeutend leiser, die Stromaufnahme und die Wärmeentwicklung wesentlich geringer.

Durch die Drehzahlregelung werden die Standzeiten der Membranen und Ventile deutlich verlängert. Dank der hohen chemischen Beständigkeit können Lösemitteldämpfe der trocken verdichtenden und chemisch beständigen Membranpumpe nichts anhaben. Die Pumpe ist nun schon seit bald vier Jahren im Dauereinsatz, und es war bis heute noch keine Wartung oder Instandsetzung notwendig. Auf diese Weise zahlt sich der doch höhere Anschaffungspreis der Chemie-Membranpumpe mit der Zeit aus. Gemäss den Angaben von Vacuubrand wird eine Wartung (Wechsel- von Membranen und Ventile) voraussichtlich nach 10 Jahren fällig sein. Der Service kann bei uns in der Roche durchgeführt werden, unsere Mechaniker sind im Werk bei Vacuubrand geschult worden.

Und wie lautet Ihr Fazit?

Die Erwartungen wurden erfüllt, meine anfängliche Skepsis beseitigt. Der Wechsel der Vakuumpumpe ergibt eine wesentliche Verbesserung: deutlich weniger Lärm, ein sauberes, ölfreies Vakuum, keine Öllecks und keine Öldämpfe, bis jetzt keine Wartungs- und Unterhaltskosten. Mit der drehzahlgeregelten Chemie-Membranpumpe MV 10C NT Vario haben wir das optimale Vakuumsystem für unsere Glovebox gefunden. Der Wechsel ist klar ein Gewinn.

Kontakt Vacuubrand GmbH + CO KG Alfred-Zippe-Strasse 4 D-97877 Wertheim Telefon +49 (0)9342 808-5550 info@vacuubrand.com www.vacuubrand.com

10 /2017

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Zu viele Routineaufgaben

Keine Zeit zur Weiterbildung

Frank Schabel Wie wichtig ist die Ressource Wissen für Unternehmen? Die Ergebnisse einer Studie [1], für die über 1200 Wissensarbeiter 1 und Führungskräfte im deutschsprachigen Raum befragt wurden, lassen auf einen sich weitenden Graben in der Einschätzung von Führungskräften und Fachkräften schliessen. Während 63 Prozent der befragten Führungskräfte der Meinung sind, Wissensarbeiter hätten in ihrem Unternehmen eine herausragende Bedeutung und würden stärker gefördert als andere Mitarbeitergruppen, glaubt ein genauso hoher Anteil der befragten Fachkräfte, sie würden keine besondere Behandlung erfahren. Ein Drittel der Fachkräfte ist gar der Meinung, Wissensarbeit werde in ihrem Unternehmen nicht entsprechend ihrem strategischen Potenzial genutzt. Besonders zu denken sollte dabei geben, dass sich dieser Graben im Vergleich zu einer entsprechenden Befragung im Jahr 2013 sogar noch vergrössert hat.

mehr als die Hälfte ihrer Arbeitszeit zur Verfügung, um komplexe Problemstellungen zu bearbeiten. Zwar rechnet der Grossteil der Befragten mit einer teilweise deutlichen Zunahme komplexer Problemstellungen und wissensbasierter Tätigkeiten. Weil aber die Routinetätigkeiten voraussichtlich nicht im gleichen Ausmass abgebaut werden, bedeutet dies letztlich nichts anderes, als dass der Grad der Belastung weiter ansteigen wird.

Noch ist nicht klar, inwieweit hier die Digitalisierung Abhilfe schaffen wird. Während Experten eine Automatisierung von Routineaufgaben und im Rahmen der Entwicklung von künstlicher Intelligenz sogar eine Übernahme wissensbasierter Tätigkeiten durch Softwareprogramme erwarten, stehen die Wissensarbeiter der praktischen Umsetzung von Digitalisierungsstrategien mit ausgeprägter Skepsis gegenüber: Sie spüren noch nichts davon und sie glauben auch mehrheitlich nicht, dass sich ihre Tätigkeit mit Unterstützung von künstlicher Intelligenz effizienter ausführen lässt.

Routineaufgaben statt komplexer Problemstellungen

Zusätzliche Zeit – auf dem Papier

Zu schaffen macht den Wissensarbeitern insbesondere der hohe Anteil von Routinetätigkeiten an ihrer Arbeit: Mehr als ein Drittel der Arbeitszeit verbringen die Fachkräfte gemäss ihrer eigenen Einschätzung mit Routineaufgaben, die nicht direkt mit ihrem Fachgebiet zu tun haben, sondern mehrheitlich in den Bereichen Rechnungswesen oder Marketing und Vertrieb angesiedelt sind. Nur jede zehnte Fachkraft hat

Einig sind sich Führungs- und Fachkräfte hingegen, dass durch die Digitalisierung und die Verbreitung agiler Methoden der Grad der Spezialisierung in der Wissensarbeit zunimmt. Diese Entwicklung birgt beträchtliche Risiken: Im Ergebnis sind die Mitarbeiter in ihrem Spezialgebiet zwar hochqualifiziert, ihre Beschäftigungsfähigkeit sinkt hingegen, wenn sie über Jahre hinweg als Themenspezialisten tätig sind.

Wissensarbeiter sind hochqualifizierte Fachkräfte, die mit ihrem Wissen wesentlich zur Wertschöpfung der Unternehmen beitragen. Es sind insbesondere Spezialisten mit technischem, naturwissenschaftlichem oder kaufmännischem Hintergrund.

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Bilder: Hays

Dass Wissen für Unternehmen eine strategische Ressource darstellt, ist gerade im Life-Sciences-Bereich kaum bestritten. Doch was bedeutet dies für den Umgang mit den Wissensarbeitern? In welchem Umfang kümmern sich die Arbeitgeber um Weiterbildung und Kompetenzentwicklung? Eine Antwort auf diese Frage gibt eine aktuelle Studie – sie lautet: womöglich zu wenig. Damit gefährden die Unternehmen die Loyalität ihrer Fachkräfte.

Frank Schabel ist Head of Marketing/Corporate Communications bei Hays.

Aber auch für die Unternehmen selbst ist diese Entwicklung riskant, fördert sie doch das Silodenken und verhindert Innovation.

Um sich im digitalen Wettbewerb zu behaupten, sind vielmehr fachgebietsübergreifende Kenntnisse und Erfahrungen gefragt. Genau dies ergab auch unsere letztjährige empirische Erhebung zu den gefragten Kompetenzen für die Digitalisierung in der Pharmabranche [2].

Doch für den Aufbau der gewünschten Kompetenzen fehlen meist sowohl die Zeit als auch der Rahmen. Pro forma werden in den Unternehmen Zeiten für die Kompetenzentwicklung zugesprochen – bei der praktischen Umsetzung jedoch sind die Wissensarbeiter angehalten, dem operativen Geschäft Vorrang einzuräumen.

Der hieraus entstehende Trend stimmt bedenklich: Kompetenzentwicklung wird zusehends zur Privatangelegenheit der Wissensarbeiter.

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Zwei Drittel sowohl der Führungs- als auch der Fachkräfte sind der Meinung, dass bei Investitionen in die Kompetenzentwicklung primär die Wissensarbeiter in der Pflicht stünden. Und ganze 42 Prozent der Führungskräfte und selbst 29 Prozent der Fachkräfte sehen Lernen und Vernetzen als Freizeitangelegenheit an. Und so kommt es, dass jede sechste Fachkraft ihre Themen in der Freizeit weiterentwickelt und beinahe jede zweite auf eigene Kosten in die eigene Weiterbildung investiert, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.

Die Loyalität droht zu sinken Für die Unternehmen mag das Abwälzen der Verantwortung für die Kompetenzbildung auf den ersten Blick sinnvoll erscheinen. Doch die Kehrseite der Medaille: Über kurz oder lang sinkt die Loyalität der Wissensarbeiter ihren Arbeitgebern gegenüber. Dass Fachkräfte schon heute in grosser Mehrheit eher gegen Regelwerke verstossen, um ihre Arbeit richtig auszuführen, als dass sie dafür den Verlust von Boni und anderer finanzieller Anreize riskieren, gibt zu denken.

Zudem hat die Befragung gezeigt, dass sich immerhin jeder zweite Wissensarbeiter eher seinen Themen verbunden fühlt als seinem Unternehmen – und zu einem Unternehmenswechsel bereit wäre, um sich fachlich weiterzuentwickeln. Allerdings glaubt auch nur jeder zweite Wissensarbeiter, dass er in seiner Position nur schwer durch andere zu ersetzen wäre.

Interessanterweise wähnen die Führungskräfte in teilweise deutlicher Mehrzahl die Fachkräfte am längeren Hebel (siehe Bild).

Die Unternehmen können sich nicht aus der Verantwortung stehlen. Aufgabenzuteilung und Anreizsysteme sollten so gestaltet sein, dass Wissensarbeiter im Rahmen ihrer täglichen Arbeit ihre Kompetenzen weiterentwickeln können.

Es ist auch nicht tragbar, dass hochqualifi zierte Fachkräfte in wissensbasierten Unternehmen ein Drittel ihrer Arbeitszeit mit Routinetätigkeiten verbringen. Eine Automatisierung von standardisierten Anteilen der Wissensarbeit ist hier notwendig – selbst wenn deren Umsetzbarkeit von den Fachkräften eher kritisch eingeschätzt wird. Eine andere Option ist, nicht automa43 6

Während die meisten Führungskräfte denken, dass ihre Fachkräfte nur schwer zu ersetzen seien, glaubt dies nur jede zweite Fachkraft. Genauso schätzen die befragten Führungskräfte die Wechselbereitschaft ihrer hochqualifizierten Angestellten höher ein als diese selbst.

tisierbare Routinetätigkeiten an Dritte auszulagern.

Zudem sollten Wissensarbeiter und Unternehmen den Risiken einer noch tieferen Spezialisierung für die Beschäftigungsfähigkeit der Wissensarbeiter entgegenwirken, beispielsweise mit zeitweiser Arbeit in anderen Abteilungen oder Projekten mit hoher thematischer Vielfalt und mit Externen. Solche Lernumgebungen dienen dazu, das Kompetenzspektrum zu erweitern, Silodenken abzubauen sowie Lernen zu lernen – eine Schlüsselkompetenz in der digitalen Welt.

Literatur [1] «Wissensarbeit im Wandel – Neue Spannungs- und Handlungsfelder», eine gemeinsame Studie der Gesellschaft für Wissensmanagement (GfWM), der Hays AG und des Beratungsunternehmens PAC (www.hays.ch/studien).

[2] «Pharma im digitalen Wandel – Neue Themen, Kompetenzen und Strukturen», Studie von Pierre Audoin Consultants und Hays. Siehe ChemieXtra 12/2016, Seiten 42–43. www.hays.ch 10 /2017

PUBLIREPORTAGE

SOP-Training schafft Sicherheit

Überraschungsei aus dem Methodenkoffer SOP-Trainings gelten als langweilig und sehr zäh, müssen aber aus regulatorischen Gründen dokumentiert durchgeführt werden. Der Dissens zwischen rechtskonformem Handeln und methodisch-didaktischer Aufbereitung der Trainingsinhalte wird nun aufgelöst.

Michael Baldus SOPs stellen in der pharmazeutischen Welt Standard-Verfahrensanweisungen dar, die formal und verbindlich die Durchführung eines Prozesses beschreiben. Da jeder Mitarbeiter rechtlich zur Einhaltung dieser Verfahrensbeschreibungen gezwungen ist, verwundert es nicht, dass besonders behördlicherseits viel Wert auf die Schulung gelegt wird. Nur wer weiss, was er wie und wann zu tun hat, wird den Prozess auch konsequent leben – so die Theorie.

Vor- und Nachteile von Leseschulungen In der Praxis werden SOPs häufig nicht in Präsenz, zum Beispiel im Rahmen einer Laborbesprechung von der Führungskraft, geschult, sondern via Leseschulungen in Umlauf gebracht. Dies spart Zeit und Aufwand und ist gleichzeitig eine kostengünstige Art, notwendige Inhalte zu schulen.

Sicherlich vorteilhaft ist sie, wenn SOPs in einer neuen Version gültig werden, in der es im Vergleich zur Vorgängerversion kaum inhaltliche Änderungen gab. Im Anschluss unterschreibt der Mitarbeiter die Schulungsdokumentation und bestätigt mit seiner Unterschrift, dass der Inhalt gelesen und verstanden wurde.

Ob der Mitarbeiter jedoch die SOP wirklich gelesen und verstanden hat, zeigt sich erst in der operativen Praxis. Stellt sich hierbei nun heraus, dass aufgrund mangelnder inhaltlicher Kenntnisse des Verfahrens Fehler passieren, so sind im GMP-regulierten Umfeld über das Abweichungsprozedere zunächst korrektive und anschliessend auch präventive Massnahmen zu treffen – ein unter Umständen sehr umfängliches und an dieser Stelle womöglich auch unnötiges, formales Prozedere. Si10/2017

cherlich würde in diesem Fall auch die Nachschulung des Mitarbeiters zumindest als Teil zu den präventiven Massnahmen gehören. Häufige Nachschulungen deuten allerdings auf ein unzureichendes Schulungsmanagement hin und stellen damit einen signifikanten Verstoss gegen die regulatorischen Auflagen eines pharmazeutischen Unternehmens dar.

Zu umfangreiche und zu formalistische SOP Die Gründe, warum SOPs häufig nicht gründlich durchgelesen werden, liegen erfahrungsgemäss einerseits in der Anzahl der Leseschulungen insgesamt. Es kommt immer wieder vor, dass die zu lesenden SOPs einfach zu umfangreich für eine zu kurze Bearbeitungszeit sind und der Inhalt schlicht nicht aufgenommen und behalten werden kann. Darüber hinaus sind für die Routinetätigkeit nicht alle SOPs relevant, die einem Mitarbeiter zugewiesen sind, sodass man diejenigen, die man nur mal gesehen haben muss, auch entsprechend kurz bearbeitet.

Ein weiterer Grund liegt in der Form, in der die SOP vorliegt. SOPs sind häufig in einem sehr formalistischen, fast schon bürokratischen Stil geschrieben. Die Motivation und Begeisterung der Mitarbeiter ein solches Dokument durchzulesen, ist wohl vergleichbar mit der Durcharbeitung eines Gesetzestextes oder einer Bedienungsanleitung.

Hilfe von externen Spezialisten Externe Schulungsanbieter, wie beispielsweise Novia, bieten für pharmazeutische Unternehmen die Erstellung neuer SOPs beziehungsweise die Aufbereitung der

SOP-Inhalte unter didaktischen Aspekten und nach den jeweiligen unternehmensspezifischen Kriterien und Vorgaben an – auch im Dokument selbst. Die Inhalte werden teils so umformuliert, dass sie deutlich verständlicher und für den Mitarbeiter nachvollziehbarer sind. Gleichzeitig werden Empfehlungen zum spezifi schen didaktischen Einsatz von Medien, wie beispielsweise Fotos, Fotoserien oder Erklärfilmen, ausgesprochen. Teils werden die Medien direkt in der jeweiligen SOP, teils aber auch im Training eingesetzt. Das Training kann sowohl als Präsenz als auch über elektronische Tools, wie beispielsweise dem «FIT2 Dokumententrainer» abgebildet werden. Ob Präsenz- oder Leseschulung sollte vor dem Hintergrund der Kritikalität des Inhaltes der SOP entschieden werden.

Ziel ist die Verknüpfung verständlicher und bedarfsgerecht formulierter Inhalte mit dem entsprechenden Nutzen stiftenden Training, um den langfristigen Lernerfolg sicherzustellen, aber auch den Praxistransfer belegbar und nachhaltig zu gewährleisten. Letztendlich gilt: Training schafft Sicherheit!

Kontakt Michael Baldus, B.Sc. Trainer und Berater Novia Chromatographieund Messverfahren GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 3 05-43843 Telefax +49 (0)69 983 05-43843 Michael.Baldus@provadis-novia.de www.provadis-novia.de

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FORSCHUNGSWELT

Auf der Suche nach dem verlorenen Stickstoff

Einblick in die Chemie des tiefen Erdinneren

Bilder: A. Schreiber, GFZ

Stickstoff ist eines der rätselhaftesten Elemente im System Erde. Egal, wo gemessen wird, ob in der Atmosphäre oder im Festgestein, überall treffen Forscher auf das «missing nitrogen»-Problem: Im Vergleich zu anderen Planten gibt es auf der Erde offenbar viel zu wenig davon. Wissenschaftler der KM Diamond Exploration, Kanada, und des Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, haben einen «Zeugen» aus den Tiefen der Erde aufgespürt, der das Rätsel lösen kann.

Ein Diamant aus dem Nordwesten Brasiliens.

Stickstoff ist auf der Erde mit 78 Prozent der Hauptbestandteil der Luft und ein wichtiges Bauelement aller Lebewesen.

Ein Vergleich mit anderen Planeten ergibt jedoch, dass auf der Erde noch viel mehr von diesem Element vorkommen müsste.

Neuesten Schätzungen zufolge fehlen in der Gleichung bis zu 90 Prozent Stickstoff.

Doch wo sind diese Vorkommen?

Nach bisherigen Hypothesen könnte ein grosser Teil des Stickstoffs während der Entstehung der Erde oder durch einen Meteoriteneinschlag in den Weltraum entgast sein. Nach einer weiteren Hypothese befinden sich grosse Mengen im Inneren der Erde, im Erdmantel oder Erdkern. Da Messgeräte nicht bis in diese Tiefen vordringen können, war das jedoch bisher nicht mehr als eine Vermutung.

oberfläche. Felix Kaminsky (KM Diamond Exploration, Kanada) und Richard Wirth (Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ) haben sich die chemische Zusammensetzung von Materialeinschlüssen in diesen Diamanten genau angesehen und ihre Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift «American Mineralogist» veröffentlicht.

Wirth: «Diamanten werden unter hohem Druck und hoher Temperatur im Erdmantel gebildet und durch vulkanische Aktivität an die Oberfläche befördert. Ihre chemische Zusammensetzung und die des eingeschlossenen Fremdmaterials sind also ein Abbild der Chemie des Erdinneren.»

Diamanten aus Kimberlit-Schloten kommen auch an anderen Orten auf der Erde vor, zum Beispiel in Südafrika, Sibirien und im kanadischen Schild. Die Diamanten von Rio Soriso sind jedoch besonders reich an Einschlüssen. Sie stammen aus den untersten Schichten des unteren Erdmantels und ermöglichen so einen seltenen Einblick in die Tiefe. Am GFZ hat Wirth die Einschlüsse mittels verschiedener elektronenmikroskopischer Verfahren analysiert und identifiziert.

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Wirth: «Im Unterschied zu anderen Diamantvorkommen auf der Erde weisen die Einschlüsse in den Rio Soriso-Diamanten grosse Mengen an Stickstoff auf. Wir konnten hier erstmalig Eisennitride und Carbonitride, also chemische Verbindungen von Eisen und Kohlenstoff mit Stickstoff, als Einschlüsse nachweisen.» Damit hat die Wissenschaft einen eindeutigen Beleg dafür, dass Stickstoff im unteren Erdmantel und Erdkern vorhanden ist. Die Forscher gehen davon aus, dass Eisen- und Carbonitride typische chemische Verbindungen an der Kern-Mantel-Grenze sind. Wirth: «Flüssiges Metall transportiert vermutlich die Verbindungen aus dem Erdkern in die untersten Schichten des unteren Mantels.»

Der «missing nitrogen», oder der «verlorene» Stickstoff im Erdsystem scheint gefunden.

Originalpublikation Felix Kaminsky, Richard Wirth, «Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth’s ‹lost› nitrogen», American Mineralogist vol. 102 no. 8, 1667–1676; DOI: 10.2138/am-2017-6101

www.gfz-potsdam.de

Ein Abbild der Chemie des Erdinnern Diamanten aus dem Nordwesten Brasiliens liefern nun den entscheidenden Hinweis. In Rio Soriso durchschlugen tiefreichende vulkanische Schlote, KimberlitSchlote genannt, die Erdkruste und beförderten dabei die Diamanten an die Erd-

Stickstoff im unteren Erdmantel und Erdkern

Diamant mit Einschluss von Fremdmaterial (schwarzer Pfeil).

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UMWELT

Muscheln und Schwämme in Symbiose mit Bakterien

Öl als Energiequelle für Meerestiere In der Tiefsee im Golf von Mexiko gibt es Vulkane, die Öl und Asphalt speien. Dort leben Muscheln und Schwämme in Symbiose mit Bakterien, die ihnen Nahrung liefern. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen haben zusammen mit Kollegen aus den USA bakterielle Symbiosepartner gefunden, die Öl als Energiequelle nutzen und sich von kurzkettigen Alkanen aus dem Öl ernähren. Den Forschern zufolge haben nach der Explosion der Ölbohrplattform Deepwater Horizon verwandte Bakterien diese Fähigkeit zum Abbau des Öls im Meer genutzt.

Bakterien haben Meeresforscher schon an anderen ölreichen Standorten gefunden – allerdings als frei lebende Mikroorganismen.

Bilder: Marum

Verwöhnte Ringbrecher

Der Tauchroboter Marum-Quest sammelt Muscheln, die Cycloclasticus-Symbiosebakterien enthalten, und ölreiche Asphalte an einem Gasaustritt in 3000 Metern Meerestiefe ein.

Gestank und Hitze, wenn ein neuer Strassenbelag aufgebracht wird; schwarze Klumpen am Strand, die an den Füssen kleben – Asphalt wirkt nicht wie ein gemütlicher Lebensraum. Dennoch kann er die Grundlage florierender Ökosysteme bilden – für Muscheln, Krebse, Würmer, Schwämme und viele andere Meeresbewohner.

In den Tiefen des Golfs von Mexiko treten Öl und Asphalt aus dem Meeresboden und bildet bizarr anmutende Strukturen, die an erkaltete Lava erinnern – sogenannte Asphaltvulkane. Vor fast 15 Jahren entdeckten Bremer und US-amerikanische Forscher diesen Lebensraum. Noch immer steckt er voller Überraschungen, wie eine 24 0

Studie einer internationalen Forschergruppe um Maxim Rubin-Blum und Nicole Dubilier vom Bremer Max-Planck-Institut zeigt.

Die Campeche Knolls-Asphaltvulkane in etwa 3000 Metern Wassertiefe im Golf von Mexiko beheimaten eine diverse Lebensgemeinschaft. Doch wovon leben die Organismen? «Den Asphalt und das Öl, die aus dem Boden treten, können sie nicht fressen, und andere Nahrungsquellen sind in der Tiefsee rar», erklärt Rubin-Blum.

«Darum haben sich einige von ihnen mit Bakterien zusammengetan, die ihnen aus der Patsche helfen: Diese können aus dem Öl sowohl Energie als auch lebenswichtigen Kohlenstoff gewinnen.» Solche

Diese ölfressenden Bakterien gehören zur Gruppe Cycloclasticus. Ihren Namen, der «Ringbrecher» bedeutet, verdanken sie einer besonderen Fähigkeit: Sie können schwer abbaubare Ringstrukturen im Öl, PAH (polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe), knacken und verwerten.

Das ist ein mühseliger Prozess, der viel Energie verschlingt.

Die symbiotischen Cycloclasticus, die die Bremer Forscher an den Asphaltvulkanen entdeckt haben, machen sich die Sache leichter. Sie haben sich auf leicht abbaubare Bestandteile des Öls spezialisiert – kurzkettige Alkane wie Butan, Ethan und Propan. «Die Ringe der PAH können diese Mikroorganismen gar nicht mehr knacken», erklärt Rubin-Blum. «Sie haben die dazu notwendigen Gene verloren.» Solche Cycloclasticus-Bakterien, die rein auf kurzkettige Alkane setzen und keine PAH-Ringe mehr knacken können, kannte man bisher nicht.

Weil kurzkettige Alkane so leicht zu verwerten sind, konkurrieren viele Mikroorganismen darum. Wie können es sich die symbiotischen Bakterien erlauben, auf eine so heiss umkämpfte Nahrung zu setzen und ihre aussergewöhnlichen Ringbrecher-Fähigkeiten zu vernachlässigen? Und das, obwohl sie in einem Lebensraum leben, der reich an PAH-Ringen ist?

«Wir vermuten, dass sie sich diesen ‹Luxus› nur leisten können, weil sie sich bei Mu7 –1 08 / 2 0 1 7

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Farbenfrohes Spiel der Symbiose: Innerhalb von Zellen in den Kiemen von Bathymodiolus-Muscheln (Zellkerne in blau) finden sich Cycloclasticus (grün) neben grösseren, methanoxidierenden Bakterien (rot).

scheln und Schwämmen als Symbionten eingemietet haben», erläutert Dubilier.

«Ihre Wirte filtern das umliegende Meerwasser und liefern ihnen dadurch kontinuierlich kurzkettige Alkane. So leben sie konkurrenzfrei an einem geschützten Standort und müssen nicht mit frei lebenden Bakterien konkurrieren.» «Das ist das erste Mal, dass wir eine Symbiose auf Basis kurzkettiger Alkane finden», fügt Rubin-Blum hinzu. Die vorliegende Studie erweitert damit das Spektrum an bekannten Stoffen, die chemosynthetische Symbiosen antreiben können.

Schlüsselfigur für den Ölabbau In einem weiteren Schritt verglichen Rubin-Blum, Dubilier und ihre Kollegen das Genom der symbiotischen Bakterien mit dem frei lebender, nah verwandter Cycloclasticus-Arten. Diese traten im Golf von Mexiko nach der Deepwater Hori-

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zon-Ölkatastrophe in grossen Zahlen auf.

Tatsächlich konnte auch manche frei lebende Art kurzkettige Alkane abbauen.

«Das war überraschend, denn bislang dachte man, Cycloclasticus können nur PAH abbauen», erklärt Dubilier. Kurzkettige Alkane sind vor allem unmittelbar nach einem Ölaustritt zu finden und werden schnell und von vielen Organismen abgebaut. Im Gegensatz zu den symbiotischen Bakterien sind die frei lebenden aber weiterhin in der Lage, auch PAH zu nutzen.

«So bleiben sie flexibel. Sind die kurzkettigen Häppchen aufgebraucht, können sie immer noch die deutlich zäheren PAH verwerten», so Dubilier. «Offensichtlich handelt es sich bei Cycloclasticus um eine Schlüsselfigur im marinen Ölabbau», fügt Rubin-Blum hinzu. «Als nächstes wollen wir daher die Physiologie und den Stoffwechsel der symbiotischen und freilebenden Arten genau vergleichen, um so mehr über deren Beitrag zum Abbau von Kohlenwasserstoffen im Meer zu erfahren.»

Originalpublikation Maxim Rubin-Blum et al., «Short-chain alkanes fuel mussel and sponge Cycloclasticus symbionts from deep-sea gas and oil seeps», Nature Microbiology 2, Article number 17093 (2017); DOI:10.1038/ nmicrobiol.2017.93

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Energiegewinnung aus Abfällen

Mehr als nur aus dem Kaffeesatz lesen Kaffeesatz ist aufgrund seines hohen Anteils an Stickstoff ein gerne verwendeter Gartendünger und leistet damit bereits heute im Kleinen einen Beitrag zu einer umweltfreundlichen Abfallwirtschaft. Doch damit ist sein Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft: Mit einem am PSI entwickelten Verfahren lässt sich aus Kaffeesatz hochwertiges Methan gewinnen. Das konnten PSI-Forscher bei einem Pilotversuch in Zusammenarbeit mit Nestlé zeigen, die Kaffeesatz, der bei der Herstellung ihres löslichen Kaffees anfällt, gerne einer sinnvollen Zweitverwendung zukommen lassen möchte.

Bild: Mahir Dzambegovic, PSI

Die Schweizer Lebensmittelindustrie produziert bei der Herstellung ihrer Produkte etwa eine halbe Million Tonnen organische Abfälle pro Jahr. Das Interesse der Industrie ist daher gross, die prozessbedingten Abfälle zum einen so gut es geht zu reduzieren und zum anderen unvermeidbare Abfälle nutzbar zu machen. Bereits heute werden in der Schweiz drei Viertel der anfallenden Abfälle als Tierfutter weiterverwertet. Etwas über neun Prozent werden kompostiert und knapp elfeinhalb Prozent energetisch genutzt.

Insbesondere das Potenzial, aus den Abfällen Energie zu gewinnen, ist dabei noch lange nicht ausgeschöpft: Denn aus ihnen lässt sich wertvolles Biomethan erzeugen.

Dass das auch mit Kaffeesatz gelingt, konnten nun PSI-Forschende im Rahmen eines Pilotversuchs in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Lebensmittelkonzern Nestlé zeigen. Dabei kam ein am PSI entwickeltes Verfahren zum Einsatz.

Blick in das Innere der Versuchsanlage am PSI. Mit dem Salzabscheider (links) werden die Nährsalze aus den Kaffeerückständen abgetrennt. Im Reaktor (rechts) wird mithilfe eines Katalysators Methan erzeugt.

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Grafik: Mahir Dzambegovic, PSI

Martina Gröschl, PSI

Wie aus nassen Kaffeerückständen Methan entsteht: schematische Darstellung des Prozesses.

Biomethan aus Kaffeerückständen Für den Versuch stellte Nestlé nasse Kaffeerückstände zur Verfügung, die bei der Herstellung von löslichem Kaffee anfallen.

Die Rückstände wurden dann am PSI in einer speziellen Versuchsanlage auf eine Temperatur von rund 450 °C erhitzt und einem Druck von etwa 300 bar ausgesetzt. Dabei geht das im Kaffeesatz enthaltene Wasser in den überkritischen Zustand über, in dem es weder flüssig noch gasförmig ist. Das hat den Vorteil, dass sich die im Kaffeesatz enthaltenen Nährsalze nicht wie in normalem Wasser auflösen, sondern leicht abgetrennt werden können. In einem nächsten Prozessschritt wird Methan mithilfe eines Katalysators aus dem Kaffeesatzrest erzeugt.

Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend: Rund 60 Prozent der im Kaffeesatz enthaltenen Energie konnten im Pilotversuch in Methan umgesetzt werden. «Damit konnten wir die technische Machbarkeit

der Gewinnung von Methan aus Kaffeerückständen zeigen», sagt Frédéric Vogel, Leiter der Gruppe Katalytische Verfahrenstechnik am PSI und Professor für Erneuerbare Energien an der Fachhochschule Nordwestschweiz.

Für einen belastbaren Praxistest bedarf es jedoch einer leistungsfähigeren Anlage: «Erst dann lassen sich die Ergebnisse der Forschenden auf einen industriellen Massstab hochrechnen», so Vogel. Eine solche Anlage wird am PSI zurzeit aufgebaut. Als weiterer, wichtiger Schritt muss die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens abgeklärt werden. Denn nur wenn diese gewährleistet ist, rentiert es sich, das Verfahren in der Lebensmittelindustrie einzusetzen.

Verfahren vielfältig einsetzbar Indessen denken die PSI-Forscher bereits darüber nach, wie man noch mehr aus dem Kaffeesatz herausholen könnte. Hier kehrt ihre Forschung zurück zur altbekannten Verwendung als Dünger. Denn ihr Pi10 /2017

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Bild: Mahir Dzambegovic, PSI

englisch «Energy System Integration») ist eine Versuchsplattform, auf der Forschung und Industrie vielversprechende Lösungsansätze zur Integration neuer erneuerbarer Energien in das Schweizer Energiesystem testen können. Zu den neuen erneuerbaren Energien zählen Solarenergie, Windkraft oder Energie aus Biomasse. SCCER Biosweet ist eines der im Zuge des Aktionsplans «Koordinierte Energieforschung Schweiz» vom Bund initiierten Kompetenzzentren für Energieforschung und wird vom PSI geleitet. Ziel ist, den Beitrag der

Bioenergie zur Schweizer Energieversorgung zu erhöhen.

Kontakt Prof. Dr. Frédéric Vogel Paul Scherrer Institut Labor für Bioenergie und Katalyse CH-5232 Villigen PSI Telefon +41 (0)56 310 21 35 frederic.vogel@psi.ch www.psi.ch

Frédéric Vogel, Leiter der Gruppe Katalytische Verfahrenstechnik am PSI und Professor für Erneuerbare Energien an der Fachhochschule Nordwestschweiz.

lotversuch zeigte auch, dass die abgetrennten Nährsalze und insbesondere der darin gebundene Stickstoff Dünger von hoher Qualität abgeben könnten – ein vielversprechender Ansatz, den die Forscher ebenfalls weiterverfolgen möchten.

Zudem lässt sich das am PSI entwickelte Verfahren prinzipiell auf alle Arten von organischen Abfällen mit genügend hohem Wasseranteil anwenden. Das gewonnene Methan kann vielfältig genutzt werden. Es kann in das Erdgasnetz eingespeist werden oder für die Erzeugung von Strom verwendet werden. Der grosse Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass die oft feuchten Abfälle nicht erst aufwendig getrocknet werden müssen, damit aus ihnen Energie gewonnen werden kann. Dadurch kann Energie gespart und die Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren wie beispielsweise die Verbrennung der Abfälle gesenkt werden. «Die Herausforderung bei unserem Ansatz liegt in den verschiedenen Zusammensetzungen der organischen Abfälle, für die das Verfahren jeweils optimiert werden muss», erklärt Vogel. Eine wichtige Rolle spielt dabei der im Verfahren eingesetzte Katalysator, dessen Erforschung ebenfalls Forschungsthema am PSI ist.

Kompetenzzentren für Energieforschung Der Pilotversuch wurde auf der ESI-Plattform des PSI im Rahmen des Kompetenzzentrums für Bioenergie, SCCER Biosweet, realisiert. Die ESI-Plattform (ESI steht für 10/2017

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Pilotprojekt endet nach 13-jähriger Forschung

CO2 dauerhaft im Untergrund gespeichert Nach 13 Jahren erfolgreicher Forschungsarbeit geht das Projekt Ketzin jetzt zu Ende. In der Stadt an der Havel hat das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ erforscht, ob sich Kohlendioxid sicher und dauerhaft im Untergrund speichern lässt und wie es sich in der Tiefe verhält. Dazu wurden mehr als 67 000 Tonnen CO2 zwischen 2008 und 2013 über eine Bohrung in einen sogenannten Speicherhorizont gepumpt. Dort, in rund 630 Metern Tiefe, befindet sich poröser Sandstein, der von salzhaltigem Grundwasser durchzogen ist – ein «saliner Aquifer».

Bei einer Abschlusskonferenz zogen die beteiligten Forscherinnen und Forscher Bilanz und diskutierten mit europäischen Fachleuten die Perspektiven der CO2 -Abscheidung und -Speicherung (CCS für Englisch: Carbon Capture and Storage). Projektleiter Axel Liebscher sagte: «Wir haben gezeigt, dass sich Kohlenstoffdioxid sicher in die Tiefe bringen und speichern lässt.

Die mächtigen Schichten aus Tongestein über dem Speicherhorizont bilden eine zuverlässige Abdichtung.»

Die Forschungsarbeiten in Ketzin/Havel begannen mit Vorerkundungen im Jahr 2004. Von Anfang an wurden die Kommune und die lokale Bevölkerung in das Forschungsvorhaben mit einbezogen. Bis heute geniesst das Projekt hohe Akzeptanz. Die eigentliche Verpressung des CO2 fand ab Juli 2008 statt. Verwendet wurde dazu überwiegend lebensmitteltaugliches CO2, wie man es beispielsweise aus Mineralwässern kennt. Innerhalb von fünf Jahren brachten Tank lastzüge das CO2 nach

Bild: GFZ

Erfolgreicher Abschluss

CO 2 -Speicherung in Ketzin – Schematische Darstellung

Ketzin, wo es über eine Injektionsbohrung in den Untergrund gepumpt wurde. Vier weitere Bohrungen wurden abgeteuft, um die Ausbreitung des CO 2 im Untergrund sowie die Dichtheit des Speichers mit modernsten geochemischen und geophysikalischen Methoden zu überwachen.

Dichte Speicher Nach dem Ende der CO2 -Injektion wurde die Speicherüberwachung weitere viereinhalb Jahre fortgesetzt, um die Stabilität des Speichers zu beobachten. Die Überwachung zeigte keine Unregelmässigkeiten des Speichers und wird Ende dieses Jahres abgeschlossen. Dann werden auch die letzten Bohrlöcher verfüllt sein. Die Bodenoberfläche wird dann in den vorherigen Zustand versetzt.

Der Wissenschaftliche Vorstand des GFZ, Reinhard Hüttl, sagt: «Mit unserer Arbeit 24 4

haben wir der Gesellschaft eine Option aufgezeigt, wie der CO2 -Eintrag in die Atmosphäre zu reduzieren ist. Es ist allerdings Sache der Politik, zu entscheiden, ob dieser Weg beschritten werden soll.» In Deutschland, so Hüttl weiter, gebe es erhebliche Widerstände; in anderen europäischen Ländern wie Norwegen dagegen würden weitere CCS-Projekte auch in grossem Massstab geplant.

Kontakt Josef Zens, Dipl.-Geog.

Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ Telegrafenberg D-14473 Potsdam Telefon +49 (0)331/288-1040 josef.zens@gfz-potsdam.de www.gfz-potsdam.de

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VERFAHRENSTECHNIK

Software-Werkzeug zur Integration von Wärmespeichern

In der Industrie Energie und Kosten sparen Die Reduktion des Energieverbrauchs gewinnt für Industrieunternehmen zunehmend an Bedeutung. Schlüssel zur Steigerung von Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit ist die Prozessintegration mithilfe der Pinch-Analyse.

Bis zu 40 Prozent Einsparungen können damit erzielt werden. Die Software PinCH der Hochschule Luzern unterstützt sowohl Grossunternehmen als auch KMU bei der praktischen Durchführung. Mit dem Release von PinCH 3.0 steht erstmals ein Software-Werkzeug zur Integration von Wärmespeichern zur Verfügung.

Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik der Hochschule Luzern.

Hier setzt die Pinch-Analyse an: Mit ihr lässt sich systematisch aufzeigen, wie die Energieströme in einer Gesamtbetrachtung der betrieblichen Prozesse verknüpft werden müssen, um eine hohe Effizienz bei minimalen Kosten zu erreichen. Aus den Ergebnissen der Analyse können Massnahmen zur Wärmerückgewinnung und verbesserten Energieversorgung abgeleitet werden. Neben der Optimierung von bestehenden Anlagen ist die Pinch-Analyse ein wertvolles Instrument für die Planung neuer Produktions- und Infrastrukturanlagen.

PinCH: Ein Engineering-Tool für die Praxis Die Hochschule Luzern hat in den vergangenen Jahren mit Unterstützung des Bundesamts für Energie BFE die benutzerfreundliche Software PinCH für die praktische Durchführung von Pinch-Analysen entwickelt. Die Software erlaubt eine schnelle Einarbeitung in die Methode sowie eine zielgerichtete und kostengünstige Anwendung in der Praxis.

Mit PinCH lassen sich sowohl kontinuierliche als auch diskontinuierliche Prozesse und solche mit verschiedenen Betriebsfällen optimieren. «Die Kopplung mehrerer

Bilder: Hochschule Luzern

Aufheizen und Abkühlen verursachen bei industriellen Prozessen einen grossen Teil des Energieverbrauchs und hohe Kosten.

Energieeffizienz wird damit eine Frage der Wettbewerbsfähigkeit. Die Komplexität der Prozesse und die damit verbundene Angst vor einer Veränderung der Produktqualität durch energiesparende Massnahmen schrecken allerdings Unternehmen oft davon ab, funktionierende Anlagen zu verändern. «Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die optimale Verknüpfung von Energieströmen im Gesamtprozess meist mehr bringt als eine kostspielige Verbesserung der Wirkungsgrade einzelner Apparate», sagt Beat Wellig, Leiter des Kompetenzzentrums

Benutzeroberfläche der Engineering-Software PinCH 3.0, mit welcher Wärmespeicher systematisch in Prozesse integriert werden können.

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VERFAHRENSTECHNIK

tech-Unternehmen, welches aus menschlichem Blutplasma Medikamente entwickelt und produziert. Das Unternehmen legt grossen Wert auf energiesparende und umweltschonende Verfahren.

«Mit der Durchführung einer Pinch-Analyse wurde bei uns eine Reduktion des Kältebedarfs für die Aufbereitung von Prozessund Klimakaltwasser von rund 30 Prozent aufgedeckt», bestätigt Michael Hirschi, Funktionsleiter Utilities – Energy bei CSL Behring AG, den Nutzen der Pinch-Analyse. Der Energiebedarf von Industrieprozessen lässt sich bei Amortisationszeiten für die Umsetzung der Massnahmen von zwei bis drei Jahren in der Regel um 10 bis 40 Prozent senken.

Pinch-Analyse bei der CSL Behring AG, Bern: v. l. n. r. Michael Hirschi (CSL Behring AG), Andrea Grüniger (Grüniger Plus GmbH), Don Olsen (Projektleiter Software-Entwicklung PinCH 3.0) und Beat Wellig (Leiter Kompetenzzentrum Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik der Hochschule Luzern).

Prozesse, die einfache Änderung von Prozessdaten und die Untersuchung unterschiedlicher Szenarien ermöglichen umfassende Variantenstudien und Sensitivitätsanalysen», sagt Wellig.

Weitere wichtige Features sind das graphische Design von Wärmeübertrager-Netzwerken, die Integration von Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken sowie praktische Instrumente zur Optimierung von Energieversorgungssystemen. Die Software unterstützt ein systematisches Vorgehen bei der Energieoptimierung, schafft durch das Visualisieren des Istzustands und der Einsparpotenziale Transparenz und hilft schnell, optimale Lösungen zu finden.

In der Industrie werden viele Produkte mit diskontinuierlichen Verfahren hergestellt.

Oft ist der Produktionszeitplan unregelmässig oder der Anspruch an die zeitliche Flexibilität so hoch, so dass eine Wärmerückgewinnung mit Speicherung die einzig

mögliche Optimierungsstrategie ist. Der Einbau von Wärmespeichern erschliesst zusätzliches Einsparpotenzial: Überschüssige Prozesswärme wird zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder verwendet.

Neue Features «Der neue Release PinCH 3.0 eignet sich hervorragend zur raschen Identifikation, Dimensionierung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von thermischen Energiespeichersystemen in Industrieunternehmen», sagt Wellig. Mit den neuen Features kann bestimmt werden, ob Energiespeicherung wirtschaftlich möglich ist, welche Wärmequellen und Wärmesenken berücksichtigt und wie die Speicherkapazitäten und Speichertemperaturen gewählt werden sollen.

Dass sich Pinch-Analysen bewähren, zeigt ein Praxisbeispiel: Die CSL Behring AG in Bern ist ein international tätiges Bio-

Unterstützung durch Kompetenzzentrum Neben der Software-Entwicklung betreibt die Hochschule Luzern in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Energie BFE einen Prozessintegrations-Stützpunkt. Industrieunternehmen und Ingenieurbüros erhalten hier umfassende Unterstützung bei der Durchführung von Pinch-Analysen und beim Umgang mit der Software. Praxisorientierte Schulungen, massgeschneiderte Firmenkurse, individuelle Coachings und Beratungen ergänzen das Angebot des Stützpunkts.

Kontakt Donald Olsen Projektleiter PinCH Software-Entwicklung Hochschule Luzern – Technik & Architektur Technikumstrasse 21 CH-6048 Horw Telefon +41 (0)41 349 35 37 donald.olsen@hslu.ch www.pinch-analyse.ch

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VERFAHRENSTECHNIK

Sprühtrocknung unlöslicher Komponenten

Wirkstoffe passgenau verkapseln Instantkaffee oder Milchpulver werden mittels Sprühtrocknung hergestellt. Fraunhofer-Forscher haben das Verfahren jetzt so angewandt, dass sich auch unlösliche Komponenten problemlos zu Kern-Schale-Partikeln verarbeiten lassen. Die neue Methode hilft dabei, Wirkstoffkonzentrationen bei medikamentösen Behandlungen zu senken.

Bilder: Fraunhofer IGB

sprüht. Die Flüssigkeit verdampft, und die Kern-Schale-Partikel bleiben als feines Pulver zurück.

Das Problem: Unlösliche Stoffe lassen sich nur schwer mit anderen Materialien vermischen. Das schränkt die Auswahl an Schalenmaterialien ein, die sich zur Herstellung der Partikel verwenden lassen.

Beliebige Materialien kombinierbar Kern-Schale-Partikel.

Die Verkapselung von Wirkstoffen dient in der Kosmetik oder Pharmazie unter anderem dazu, Substanzen vor äusseren Einflüssen wie zum Beispiel aggressiver Magensäure zu schützen. Mithilfe der Verkapselung lässt sich aber auch die Freisetzung der Wirkstoffe im Körper steuern: Sie entweichen je nach Durchlässigkeit des Schalenmaterials nicht auf einmal, sondern nach und nach.

Weil so geringere Dosen freigesetzt werden – diese dafür aber kontinuierlich – ist die medikamentöse Therapie besser verträglich und ausserdem einfacher handhabbar. Denn anstatt dreimal täglich eine Tablette zu nehmen, reicht unter Umständen eine.

«Wir haben daher für diesen Zweck eine Dreistoffdüse im Sprühverfahren eingesetzt. Damit ist es möglich, zwei Stoffe getrennt voneinander in die Düse einfliessen zu lassen. Aufgrund der Scherkräfte vermischen sich die Substanzen an der Düsenöffnung und werden dann gemeinsam zerstäubt», sagt Michael Walz, der zusammen mit Achim Weber das neuartige Verfahren am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart etabliert und optimiert hat.

So lassen sich beliebige Materialien kom-

binieren und die Freisetzung der Wirkstoffe individuell steuern. «Je nach Stoff, Konzentration der Lösung, Volumenstrom der Flüssigkeiten, Trocknungstemperatur oder Druck, der an der Düse angelegt wird, können wir die Partikelgrösse und die Effizienz der Verkapselung verändern. Damit sind wir in der Lage, auf alle Kundenwünsche zu reagieren und massgeschneiderte Lösungen zu entwickeln», sagt Weber.

Neben der Kosmetik- und Pharmaindustrie ist das neue Verfahren zur Verkapselung von Wirkstoffen auch für die Düngemitteloder Lebensmittelherstellung interessant.

Kontakt Dr. rer. nat. Claudia Vorbeck Fraunhofer IGB Nobelstrasse 12 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711 970-4031 claudia.vorbeck@igb.fraunhofer.de www.igb.fraunhofer.de

Unlösliche Stoffe sind problematisch Um den Wirkstoff zu verkapseln, wird er zunächst in einer Flüssigkeit gelöst und mit dem Schalenmaterial vermischt. Danach wird die Lösung in das Zentrum einer Düse geleitet, wo Druckluft mit hoher Geschwindigkeit aus einem Ringkanal strömt.

Aufgrund des Drucks wird die Lösung in feine Tröpfchen zerstäubt und anschliessend in einen Trocknungszylinder ge10/2017

Schematische Darstellung der Sprühtrocknung.

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WERKSTOFFE

Selective Laser Melting mit Kupfer

Grünes Licht für neues 3D-Verfahren Eine Neuheit im Bereich Additive Manufacturing wird auf der formnext vom 14. bis zum 17. November 2017 in Frankfurt am Main zu sehen sein: Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen präsentiert eine aktuelle Entwicklung zum Selective Laser Melting von Kupferwerkstoffen. Diese soll in Zukunft die wirtschaftliche additive Fertigung von Bauteilen aus reinem, hochleitfähigem Kupfer ermöglichen.

Das Selective Laser Melting (SLM), auch bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), hat sich als additives pulverbettbasiertes Fertigungsverfahren bereits in unterschiedlichen Branchen wie Medizintechnik, Turbomaschinenbau, Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau bewährt. Aktuell lassen sich damit in erster Linie Stähle, Titanund Aluminiumlegierungen sowie Nickelund Cobaltlegierungen verarbeiten.

Die Aachener wollen SLM nun im Rahmen eines Forschungsprojekts weiterentwickeln, damit es sich besser für die additive Fertigung von Bauteilen aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen eignet. Reinkupfer ist für Endanwender interessant, weil keine Kupferlegierung eine vergleichbar hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzt. Am Fraunhofer ILT entsteht daher bis Ende 2017 eine eigens entwickelte Laserstrahlquelle, die nicht mehr mit infrarotem, sondern mit grünem Licht arbeitet.

«Reines Kupfer reflektiert bei der sonst üblichen Wellenlänge von circa 1 µm je nach Oberflächeneigenschaften den überwie-

genden Teil der Laserstrahlung«, erklärt Daniel Heussen, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Rapid Manufacturing. Es wird daher nur ein sehr geringer Teil der eingestrahlten Energie in den Werkstoff eingekoppelt, der dann für den Schmelzprozess zur Verfügung steht. Die reflektierte Laserstrahlung kann die Komponenten der Anlage schädigen. Hinzu kommt, dass der Absorptionsgrad bei infrarotem Licht sprunghaft beim Übergang des Werkstoffs vom festen in den flüssigen Zustand ansteigt und so für einen instabilen und diskontinuierlichen Umschmelzprozess sorgt.

Grünes Laserlicht ist besser Anders sieht es bei grünem Laserlicht mit der Wellenlänge von 515 nm aus, bei dem der Absorptionsgrad von Kupfer um ein Vielfaches höher liegt. Für den Umstieg auf grünes Laserlicht spricht, dass ein Laser mit einer deutlich niedrigeren Ausgangsleistung ausreicht. Ausserdem lässt sich der Laserstrahl schärfer bündeln, sodass sich mit dem neuen SLM-Verfahren wesentlich filigranere Bauteile herstellen

lassen. Heussen: «Wir hoffen auf eine gleichmässigere Schmelzbaddynamik, um dichte Bauteile aufbauen zu können, sowie auf weitere positive Effekte wie eine hohe Detailauflösung.»

Weil es am Markt keine entsprechende «grüne» Strahlquelle gibt, die den Randbedingungen für den SLM-Prozess genügt, baut die Abteilung Strahlquellenentwicklung des Fraunhofer ILT selbst den Laser für «SLM in grün», so der interne Begriff für das Projekt. Geplant ist ein Laser für den sogenannten Singlemode-Betrieb, der mit einer maximalen Leistung von 400 Watt im kontinuierlichen Betrieb (cw) mit grüner Wellenlänge (515 nm) in sehr guter Strahlqualität arbeitet. Bis Ende 2017 soll ein Laboraufbau einer Anlage für «SLM in grün» entstehen, mit dem die Aachener dann die Prozesse im Rahmen des von der AiF geförderten Forschungsprojektes weiterentwickeln.

Das Ziel ist ein stabiler Prozess, mit dem industrielle Anwender komplexe Geometrien mit Hohlstrukturen und Hinterschnitten aus Reinkupfer direkt additiv herstellen können. Infrage kommt es unter anderem für

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Bilder: Fraunhofer ILT, Aachen

WERKSTOFFE

Belichtung einer Einzelschicht im SLM-Prozess mit grünem Laserstrahl zur Herstellung einer innengekühlten Spule für die induktive Wärmebehandlung.

«SLM in grün»: Mit dem am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelten neuen Prozess sollen sich auch Bauteile aus reinem Kupfer additiv fertigen lassen.

hocheffiziente Wärmetauscher und Kühlkörper oder für die Kleinserienproduktion von filigranen, komplexen elektrischen Bauteilen.

Heussen: «In der industriellen Fertigung bieten sich Induktoren für die induktive Wärmebehandlung besonders an. Weil sie meist in geringer Stückzahl mit hoher Komplexität und Variantenvielfalt hergestellt werden, sind es Paradebeispiele für die additive Fertigung.»

«SLM in grün» bietet im Bereich Schmuckdesign die Möglichkeit, komplexe Strukturen wesentlich effizienter und reproduzierbarer herzustellen als konventionelle Techniken. Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren wie etwa dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erhoffen sich die Wissenschaftler eine wesentlich höhere Detailauflösung sowie höhere Wirtschaftlichkeit in der Fertigung.

Der grüne Laser dürfte sich aber nicht nur für Kupfer eignen, sondern auch für die Verarbeitung von Bunt- und Edelmetallen in der Schmuckindustrie. Heussen: «Bis dahin gilt es jedoch, noch einige Hürden in der Prozess- und Anlagenentwicklung zu überwinden und ein tieferes Prozessverständnis für die Verwendung der neuen Wellenlänge zu entwickeln.»

Kontakt M. Sc. Daniel Heussen Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Steinbachstrasse 15 D-52074 Aachen Telefon +49 (0)241 8906-8362 daniel.heussen@ilt.fraunhofer.de www.ilt.fraunhofer.de

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Poröse Polymere mit Wabenstrukturen

Schaumstoffe im Honigwabendesign

Bild: zvg

Schaumstoffe mit einer offenen Zellstruktur eignen sich zum Beispiel für Filter, Schwämme oder Gewebezüchtungen, während geschlossene Strukturen besser für Wärmeisolatoren oder Verpackungsmaterialien geeignet sind. Ein Forscherteam um Cosima Stubenrauch an der Universität Stuttgart fand heraus, wie man gezielt offenoder geschlossenzellige Schaumstoffe herstellen kann. Ganz nebenbei stellten sie eine Theorie auf, die erklären könnte, warum Honigwaben sechseckig sind.

Kugelschäume (links) und Wabenschäume (rechts). Welche Struktur sich herausbildet, hängt davon ab, wo sich der Initiator der Polymerisation befindet.

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Honigwaben bestehen aus zwei Lagen sungsvermögen bei gleichzeitig höchster Zellen mit sechseckigem Querprofil, die Stabilität gewährleistet. Die Entstehung der von gleichmässig dicken Wänden getrennt Wabenform fasziniert Wissenschaftler seit werden. Diese hexagonale Struktur ist be- Jahren: Haben Bienen einen «mathematisonders effizient, weil sie mit geringstem schen Verstand» und wählen diese Materialaufwand das grösstmögliche Fas-07:47Bauform TOSOH_Ins_58x90_4c_Layout 1 20.12.12 Seite 1 instinktiv? Oder ist das Bauprinzip das Ergebnis eines physikalischen Prinzips in der Natur?

Schon bisher wusste man, dass die Zellen in einem natürlichen Bienenstock ursprünglich ein rundes Querprofil haben, das sich mit der Zeit in einen hexagonalen Querschnitt mit gleichmässiger Wandstärke verwandelt. Erklärt wird diese Transformation dadurch, dass das zunächst feste Wachs aufgrund der Wärme der Bienenkörper weich wird und sich, getrieben von der Oberflächenspannung, verformt. Allerdings brauchen die so entstandenen sechseckigen Wabenzellen rund 10 Prozent mehr Wachsoberfläche als die ursprüngliche Kugelstruktur. Unter der Prämisse, dass die Natur stets ein effizienter Baumeister ist, scheint ein solcher Prozess nicht logisch.

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(Institut Charles Sadron, Strassburg), Sascha Heitkam (TU Dresden) und Aggeliki Quell (BASF, Ludwigshafen) einen einzigartigen Mechanismus heraus, der zur Bildung wabenartiger Strukturen führt.

Wie wabenartige Strukturen entstehen Für Honigwaben hatte sich das Team gar nicht interessiert, als es vor vier Jahren mit dem Projekt startete. «Wir wollten die Filmöffnung während der Polymerisation kontrollieren, um gezielt offen- beziehungsweise geschlossenzellige Schaumstoffe zu erhalten», erklärt Stubenrauch. Für Anwendungen in der Industrie ist eine solche Differenzierung wichtig, weil offenzellige Schaumstoffe, bei denen die Zellwände nicht geschlossen sind, Flüssigkeit aufnehmen können. Solche Strukturen eignen sich zum Beispiel für Filter, Schwämme oder Gewebezüchtungen. Bei geschlossenzelligen Schaumstoffen dagegen, zu denen die Wabenstruktur gehört, sind die Wände zwischen den einzelnen Zellen komplett zu. Dadurch können sie kein oder nur wenig Wasser aufnehmen und 10 /2017

WERKSTOFFE

werden eher für Wärmeisolation oder Verpackungsmaterialien eingesetzt.

Zwei Schaumstofftypen In ihrer Arbeit starteten die Wissenschaftlerinnen und Heitkam mit einer flüssigen Matrix, in der Schichten kugelförmiger Wassertröpfchen eng aneinandergepackt sind. Die Matrix besteht dabei aus Monomeren und wurde durch die Zugabe eines Initiators verfestigt. Dieser sorgt dafür, dass die Monomere chemisch miteinander reagieren und aus der monomeren Flüssigkeit ein festes Polymer (das Polystyrol) wird. Schliesslich werden die Wassertropfen herausgedampft und man erhält ein festes schaumstoffartiges Gebilde.

Auf der Basis dieser Beobachtungen konnten die Wissenschaftler zeigen: Befindet sich der Initiator der Polymerisation und Aushärtung im Monomer, so bilden sich Kugelschäume. Befindet er sich dagegen in den Wassertröpfchen, so entstehen Wabenstrukturen.

Bei der Herstellung der beiden Schaumstofftypen stiess das Forscherteam auf eine Überraschung: Bei den geschlossenzelligen Schaumstoffen fanden sie extrem dicke Porenwände. «Die Beobachtung, dass sich dichtgepackte, flüssige Kugeln während der Verfestigung in Polyederstrukturen verformen, deren Porenwände eine homogene Dicke besitzen, war mit klassischen Argumenten erst einmal nicht erklärbar», erklärt Stubenrauch. «Daher haben wir nach analogen Systemen gesucht, bei denen solche Phänomene auftreten und sind auf die Bienenwaben gestossen.»

mus auf andere Materialien und Prozesse übertragen kann.

10/2017

Prof. Dr. Cosima Stubenrauch Universität Stuttgart Institut für Physikalische Chemie Pfaffenwaldring 55 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711-685-64470/51 cosima.stubenrauch@ipc.uni-stuttgart.de www.ipc.uni-stuttgart.de

Originalpublikation Aggeliki Quell, Sascha Heitkam, Wiebke Drenckhan und Cosima Stubenrauch, «Creating Honeycomb Structures in Porous Polymers by Osmotic Transport», ChemPhysChem, Volume 18, Issue 5 March 3, 2017, Pages 451–454; DOI: 10.1002/ cphc.201600834

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10/2017

VERBANDSSEITE

SEKTION NORDWESTSCHWEIZ Paul Klee in der Fondation Beyeler Die Ausstellung widmet sich der Abstraktion.

Paul Klee war das zweite Kind des deutschen Musiklehrers Hans Wilhelm Klee (1849– 1940) und der schweizerischen Sängerin Ida Marie Klee, geb.

Frick (1855–1921). Seine Schwester Mathilde († 6. Dezember 1953) kam am 28. Januar 1876 in Walzenhausen zur Welt. Der Vater stammte aus Tann und studierte am Konser-

vatorium Gesang, Klavier, Orgel und Violine. Dort lernte er seine spätere Frau Ida Frick kennen.

Bis 1931 wirkte Hans Wilhelm Klee als Musiklehrer am Bernischen Staatsseminar in Hofwil bei Bern. Diesem Umstand war es zu verdanken, dass Klee durch das Elternhaus seine musikalischen Fähigkeiten entwickeln konnte; sie begleiteten und inspirierten ihn bis an sein Lebensende.

(Quelle: Wikipedia)

Dr. Anna Szech führt durch die Ausstellung «Paul Klee».

Datum: Mittwoch, den 29. November 2017 Treffpunkt: Fondation Beyeler, Baselstrasse 101, 4125 Riehen Beginn: 18.30 Uhr Dauer: 1.5 Std. Kosten: CHF 35.– Wie bisher sind Lernende herzlich willkommen.

Anmeldung wie üblich bis zum 10. November 2017 an: Andreas Schläpfer Riehenring 189 4058 Basel Telefon +41 (0)61 534 22 38 Mobil +41 (0)78 697 70 71 nordwestschweiz@cp-technologe.ch

Für den SCV Andreas Schläpfer Sektion Nordwestschweiz

SEKTION OBERWALLIS

Foto: Zenklusen Stephan

Familientag

Der Aperitif war draussen bei sonnigem Wetter.

Am 12. August 2017 war es wieder so weit: Der Familientag des Schweizerischen Chemieund Pharmatechnologen Verband Sektion Oberwallis fand wie jedes Jahr im Forsthaus Alba unterhalb von Bürchen statt.

Vorstandsmitglied und Organisator Juon Orlando bereitete ein feines Apéro mit Blätter10/2017

teig- und Salzgebäck und kredenzte einen von ihm hausgemachten Weisswein, der sehr prickelnd und leicht süsslich schmeckte – eine wahre und gefährliche Gaumenfreude.

Gegen 11 Uhr versammelten sich die rund 20 angemeldeten Gäste, um das Apéro draussen bei recht sonnigem, jedoch noch frischem Wetter zu ge-

niessen. Im Speziellen zu erwähnen sind: Benita Eyer, Witwe des verstorbenen Mitglieds Kurt Eyer, und Antonio De Lisi, welcher bereits seit 35 Jahren Vereinsmitglied ist, waren als Gäste eingeladen.

Zum Hauptgang gab es Grilladen vom Schwein, Rind, Lamm und Poulet mit verschiedenen liebevoll zubereiteten Salaten.

Nach dem Essen wurden die Mitglieder des SCV-SO aufgerufen, um mit Präsident Stephan Zenklusen und Juon Orlando die Tradition der gemeinsamen Männer-Schnapsrunde an der Bar fortzuführen. Nach diesem Akt wurden auch die Damen und Kinder wieder mit Kaffee und Kuchen bedient. Dazu wurde ein Dessertbuffet erstellt, das von Kuchen über Mocca- und Schokoladenmousse bis hin zu Tiramisu alles bot, was das Herz begehrte.

Die fleissigen Vorstandsmitglie-

der Orlando und Stephan räumten danach alles auf, reinigten die Küche und den Grill, spülten Geschirr und Gläser, um in die nächste Etappe vorzudringen. Nach kurzer Verschnaufpause hiess es dann schon wieder ab an die Pfannen und Kartoffeln kochen fürs Raclette, als krönenden Abschluss. Gegen 19.30 Uhr wurde die Runde langsam aufgelöst und das Forsthaus Alba für die nächsten Events wieder auf Vordermann gebracht.

Ein herzliches Dankeschön an den langjährigen Organisator Juon Orlando für seine Arbeit von der Einladung bis zur Vorbereitung übers Aufräumen und Putzen und dem Präsidenten Stephan Zenklusen und Ziehtochter Rosmarie für die Unterstützung vor Ort.

Schalbetter Vera 53

PRODUKTE

Kautschukböden für Laborbauten

Um Mitarbeiter und Geräte in den Labors vor elektrostatischen Entladungen zu schützen und fehlerhafte Messergebnisse zu vermeiden, müssen die Böden dort ableitfähig sein.

Dauerhafter ESD-Schutz: Hier kommt zum Beispiel norament 928 grano ed zum Einsatz. Wie alle nora-Böden muss er nicht beschichtet werden, wodurch seine Ableitfähigkeit dauerhaft erhalten bleibt. Dies ist ein enormer Vorteil gegenüber anderen Fussböden, deren Beschichtungen nicht nur die Zuverlässigkeit der Leitfähigkeit beeinflussen, sondern auch regelmässig erneuert werden müssen. Ein zusätzlicher Vorzug: Die Kautschukböden gibt es für verschiedene Anforderungen im gleichen Design.

So können die ESD-geschützten Bereiche optisch genauso gestaltet werden wie die Büroflächen.

Verschleissfest und langlebig: Aufgrund ihrer extrem dichten Oberfläche sind nora-Bodensysteme ausserordentlich verschleissfest.

Gleichzeitig ermöglicht die geschlossene Oberfläche eine leichte und wirtschaftliche Reinigung. So sehen sie trotz starker Belastung auch nach vielen Jahren noch na-

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hezu neuwertig aus. Und je seltener ein Boden ausgetauscht werden muss, desto besser seine Ökobilanz. Ein weiteres Plus: Die Kautschukböden enthalten keine Weichmacher (Phthalate) oder chlororganischen Verbindungen und tragen damit zu einer gesunden Innenraumluft bei.

Hoher ergonomischer Komfort: Eine wichtige Rolle spielt auch die Ergonomie der Kautschukböden: Durch ihre Dauerelastizität erleichtern sie das Gehen und Stehen – Rücken und Gelenke werden geschont, sodass der Körper nicht so schnell ermüdet wie auf härteren Untergründen. Widerstandsfähig, langlebig, hochwertig und funktional: nora-Bodensysteme sind nicht nur in punkto Nachhaltigkeit eine gute Wahl. Durch ihre ökologischen und ergonomischen Eigenschaften tragen sie darüber hinaus zum Wohlbefinden der Gebäudenutzer bei. nora flooring systems ag Gewerbestrasse 16 CH-8800 Thalwil Telefon +41 (0)44 835 22 88 info-ch@nora.com www.nora.com/ch

Schaumanalysen unter Hochdruck

Mit dem High Pressure Foam Analyzer (HPFA) bringt die Krüss GmbH das weltweit erste Messinstrument zur gleichzeitigen Erfassung der Schaumhöhe und der Schaumstruktur unter Hochdruck auf den Markt.

Verwendung findet das HPFA vor allem in der tertiären Erdölförderung, wo Schäume die Effizienz von Flutungsverfahren mit Gasen wie Kohlendioxid oder Stickstoff steigern. Der Schaum verbessert dabei die Flusskontrolle, sodass das Öl effizient aus dem Gestein gelöst werden kann.

Zwei hochauflösende Kameras erfassen parallel die Schaummenge und ein Videobild der Schaumlamellen während des Aufschäumens und danach. Unterstützt durch die Echtzeit-Bildauswertung der Software Advance ermittelt das Instrument die Schäumbarkeit und den Schaumzerfall sowie die Veränderungen der absoluten Blasengrössen und deren statistische Verteilung.

Die Messzelle arbeitet bei Drücken bis 350 bar und Temperaturen bis 120 °C. Dabei übergeben Sensoren permanent Messwerte für den Druck und die Temperatur an die Software.

Für eine reproduzierbare Schaumbildung sorgt ein Filter, durch den das Gas unter Druck in die flüssige Probe strömt. Variable Filter mit verschiedenen Porengrössen simulieren die charakteristische Porosität des jeweiligen Gesteins und erlauben die Modellierung von Schäumen mit unterschiedlichen Blasengrössen.

Beim Einsatz des Schaums im Förderprozess trifft oftmals der wässrige Schaum im Reservoir auf das schaumhemmend wirkende Öl.

Dabei kann ein unerwünschter Schaumzerfall einsetzen. Dieser Effekt konnte bisher nicht unter Lagerbedingungen untersucht werden. Speziell für diesen Fall verfügt das Gerät über eine neuartige Dosiereinheit, welche die Zudosierung beliebiger Flüssigkeiten unter Druck während der laufenden Schaumanalyse ermöglicht.

Krüss GmbH Borsteler Chaussee 85 D-22453 Hamburg Telefon +49 (0)40 5144010 info@kruss.de www.kruss.de

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PRODUKTE

Rotationsschüttler für SuspensionsZellkulturen im CO2-Inkubator

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Die Evolution numerischer Rechenwekzeuge zur Simulation physikalischer Effekte hat eine neue Stufe erreicht.

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Für CO2 -Inkubatoren ab 150 l bietet Binder optional CO 2 -Schüttler als Zubehör an. Diese werden zur Inkubation nicht-adhärenter Zellen, sogenannter Suspensions-Zellkulturen, eingesetzt. Im Gegensatz zu adhärenten Zellen, die nur auf Oberflächen wachsen, muss das Absinken suspendierter Zellen im Flüssigmedium durch ständige Agitation verhindert werden.

Die für Binder massgeschneiderten CO2 -Rotationsschüttler bezieht das Unternehmen von der Edmund Bühler GmbH, einem renommierten Hersteller von Laborgeräten.

Die Schüttelplattform mit den Massen 375 mm × 375 mm passt in alle CO2 -Inkubatoren der Serie CB ab 150 l Innenraum.

Der im Innenkessel platzierte CO2 Schüttler wird über einen ausserhalb des Inkubators befindlichen Controller mit Strom versorgt und gesteuert. Üblicherweise werden beide Komponenten mit einem Rundkabel verbunden. Allerdings begünstigt die Verlegung des Kabels durch eine klassische Lochdurchführung eine Kondensatbildung im Innenraum, was ein hohes Kontaminationsrisiko birgt. Um dieses Risiko so gering wie möglich zu halten, bietet Binder zwei Speziallösungen an: Bei der universell einsetzbaren Variante werden Schüttler und Controller mit einem speziellen Flachkabel miteinander verbunden, das zwischen Dichtung

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und Tür geführt wird. Bei der Variante Professional wird der Schüttler quasi in den Inkubator integriert: Controller- und Schüttlerkabel tragen Lemo-Stecker, die über eine gasdichte Stromdurchführung elektrisch verbunden werden. Eine solche Stromdurchführung ist optional für die CB-Serie erhältlich und besteht aus elektrisch verbundenen Lemo-Buchsen im Innenkessel und auf der Gehäuserückwand.

Durch die ausschliessliche Verwendung von hochwertigen Materialien und Edelstahlbauteilen ist der CO2 -Schüttler auch bei kohlensauren Bedingungen mit hoher Luftfeuchte im Gerät korrosionsfrei. Mit einer Wärmeabgabe von maximal 4 Watt bleiben die Bedingungen im CO2 -Inkubator auch im Schüttlerbetrieb konstant.

Um die potentielle Kontaminationsfläche und den Reinigungsaufwand so gering wie möglich zu halten, besteht der Innenkessel der CO 2 -Inkubatoren aus tiefgezogenem Edelstahl mit abgerundeten Ecken und die Innenflächen des Kessels wurden auf ein Minimum reduziert.

Binder GmbH Im Mittleren Ösch 5 D-78532 Tuttlingen Telefon +49 (0)7462-2005-0 info@binder-world.com www.binder-world.com

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PRODUKTE

Wie die Industrie von digitalen mobilen Lösungen profitiert

Die Vernetzung von Menschen, Prozessen, Maschinen und Systemen wird nicht nur die Märkte der Zukunft prägen – sie ist die grösste Herausforderung und Chance der Gegenwart. Unternehmen, die auf die Möglichkeiten der Digitalisierung setzen, profitieren von effektiveren Produktions-, Arbeits-, Maintenanceund verschlankten Entscheidungsprozessen sowie höheren Margen.

Um aber die Produktivitäts- und Rentabilitätsvorteile der Industrie 4.0

zu erschliessen, ist nicht eine einzelne Komponente entscheidend, sondern ein ineinander verzahntes, kompatibles Lösungsportfolio rund um den vernetzten «Mobile Worker». ecom, Hersteller von explosionsgeschützten mobilen Endgeräten wie Smartphones, Tablets, Handhelds und Peripheriegeräten und seit 2017 Teil der Pepperl+Fuchs-Gruppe, präsentierte auf der Hannover Messe ihr umfassendes Mobile-Worker-Gesamtkonzept mit ei-

Wechselventile für einen kontinuierlichen Prozessbetrieb

Verfügbarkeit ist das A und O für jede industrielle Anlage. Um einen dauerhaften Prozessbetrieb mit 24/7 Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit zu sichern, kommen Wechselventile zum Einsatz.

Sie ermöglichen es, zwischen zwei installierten Sicherheitsventilen auf einfache Art und Weise hin- und herzuwechseln. Ein Ventil ist immer in Betrieb, währenddessen das andere gewartet werden kann.

Das Wechselventil der Firma Leser lässt ein betriebssicheres Umschalten mit einem Minimum an Rohrleitungen und Komponenten zu.

Das robuste, strömungsoptimierte Design sorgt für einen effizienten Betrieb und höchste Prozesssicherheit. Das Ergebnis: eine einfache, betriebssichere Bedienung mit minimalem Druckverlust und letztendlich reduzierte Anlagenkosten.

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Leser hat, abhängig vom geplanten Einsatz, zwei Ventiltypen konzipiert. Type 330 Compact erfüllt die Druckverlustanforderungen von Standardanwendungen, während Type 320 Flow speziell für herausfordernde Bedingungen und insbesondere für Sicherheitsventile mit hoher Leistung konstruiert wurde.

Wechselventile werden vor allem in der Chemie und Petrochemie genauso wie im Öl- und Gasbereich oder in der Verarbeitung von technischen Gasen eingesetzt.

ner grossen Auswahl an Hardware und Partner-Software-Produkten für Industrieunternehmen.

Die neuesten Geräte für den Einsatz in Zone 1/21 – das weltweit erste explosionsgeschützte 4G/ LTE-Android-Tablet Tab-Ex 01, das erste 4G/LTE-Android-Smartphone Smart Ex 01 sowie der Windows-Tablet-PC und Desktop-Erweiterung Pad-Ex 01 – vernetzen mobile Anwender mit der Leitstelle und Backend-Systemen.

Eine Vielzahl von leistungsfähigen Applikationen kann somit überall auf dem Werksgelände und auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Mit professionellen Software-Lösungen zur Datenerfassung wie der ecom CamScan Keyboard App können Anwender die Qualität der Datenerfassung erhöhen.

Speziell für häufige Scans und für Scans aus der Distanz bietet ecom Hardware-basierte Lösungen, vom Barcode-/RFID-Lesegerät Ident-Ex 01 bis hin zum eigensicheren PDA i.roc Ci70-Ex. Neue Innovationsfelder hat ecom zudem mit der Beacon-Technologie erschlossen. Die speziell für den Ex-Bereich entwickelten Loc-Ex 01 BLE Beacons werden in Verbindung mit mobilen Endgeräten zu einer innovativen Business-Intelligence- und Ortungslösung.

Pepperl+Fuchs AG Sägeweg 7 CH-2557 Studen Telefon +41 (0)32 374 7680 Telefax +41 (0)32 374 76 78 triedweg@ch.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.ch

Eine Leuchte fürs Extreme

Mit der neuen Atex-bescheinigten Lumistar-Leuchte USL 07 LED-Ex zielt Lumiglas auf Einsatzgebiete in explosionsgefährdeten Betriebsstätten ab, die für die Ausleuchtung bisher nicht geeignet waren.

Die Schauglasleuchte ist für die Kombination von Sicht- und Lichtglas (1-Flanschversion) sowie die separate Anordnung (2-Flanschversion) geeignet. Sie ist für eine Umgebungstemperatur bis +60 °C zertifiziert.

Einsatzgebiete sind beispielsweise die Ausleuchtung von Kesseln, Tanks, Silos, Rührwerken und allen

geschlossenen Behältern, Reaktoren sowie Durchfluss-Schaugläsern in explosionsgefährdeten Betriebsstätten. Zudem eignet sich die Leuchte für sterile Bereiche (zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie).

Die Leuchte ist staubdicht und strahlwassergeschützt. Sie erreicht Schutzgrad IP 65 und IP 67. Durch das langlebige LED-Leuchtmittel entsteht keine Wärmeausstrahlung im Lichtaustritt. Die belastungsstarke Konstruktion ist insbesondere auf den Einsatz an vibrierenden oder schwingenden Behältern zugeschnitten.

Angenstein Connect AG Christian Windisch Hauptstrasse 190 CH-4147 Aesch Telefon +41 (0)61 756 11 66 Telefax +41 (0)61 756 11 04 christian.windisch@angensteinconnect.ch www.angenstein-connect.ch

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PRODUKTE

Rotor-Schnellmühle jetzt auch mit Schneidrotor

Die Neue Fritsch-Rotor-Schnellmühle Pulverisette 14 premium line bietet Prall-, Scher- und Schneidzerkleinerung in einem Gerät – mit höherer Leistung, besserer Kühlung und deutlich leiser. Ihr starker Motor (bis 22000 UPM) ist ideal für die besonders schnelle Zerkleinerung weicher bis mittelharter, spröder sowie faseriger Stoffe und temperaturempfindlicher Proben mit einem extrem schnellen Probendurchsatz bis zu 15 Liter und mehr pro Stunde je nach Material und eingestellten Parametern. Endfeinheiten bis d50 < 40 µm können erreicht werden.

Mit dem Schneidrotor wird die Einsatzbreite der klassischen Schlagmühle signifikant erweitert. Auch sonst problematische, wärmeempfindliche Materialien wie beispielsweise Kunststoffe lassen sich damit rasch zerkleinern. Durch den zusätzlichen Einsatz eines Zyklons (komplett aus rostfreiem Stahl oder Glas) wird das Material schnell aus dem Mahlraum gesaugt und dieser zusätzlich gekühlt.

Sicherheit wurde bei der Entwicklung an erste Stelle gesetzt. Die neuartige AutoLock-Mahlkammer sorgt für automatisches Öffnen und Schliessen mit Klemm- und Quetschschutz. Das zusätzliche Intelligence-Safety-Control-System lässt den Start nur zu, wenn die Mahlgarnitur komplett und korrekt eingesetzt ist.

Die Reinigung Ihrer Mühle wird vereinfacht durch schmutzresistente Oberflächen und die einfache Konstruktion, welche auch die werkzeuglose Entnahme aller regelmässig zu reinigenden Teile beinhaltet.

Fritsch bietet die kostenlose Probemahlung einer schwierigen Probe an.

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Mikrowellen-Druckaufschlussgerät

Das Mikrowellen-Druckaufschlussgerät Mars 6 bietet deutlich erweiterte Möglichkeiten und Bedienerkomfort gegenüber den Vorgängermodellen. Es ermöglicht die volle Dokumentation im Gerät und zusätzlich per Tablet PC oder SmartPhone. Die Bedienung über den Touchscreen ist einfach und komfortabel. «One Touch»-AufschlussApps erleichtern die Arbeit und nehmen dem Anwender das umständliche Programmieren einer Methode ab.

Hochleistungsbehälter ermöglichen extreme Aufschlusstemperaturen, hohe Drücke und hohe Probeneinwaagen. Quarz- und Glaseinsätze machen das Arbeiten und Reinigen einfach. Auch für den hohen Probendurchsatz gibt es Lösungen, um viele Proben gleichzeitig aufzuschliessen.

Die neuartige iWave-Temperaturmessung aller Proben beim Gerät ermöglicht dem Anwender in der Praxis völlig neue Möglichkeiten

beim täglichen Mikrowellen-Aufschluss. iWave ist eine kontaktfreie direkte Temperaturtechnologie, bei der die Probentemperatur in jedem Gefäss durch die Wand gemessen wird. Es werden weder Kontrollgefässe noch Temperatursonden noch Kabelverbindungen benötigt.

Damit kann jede exotherm reagierende Probe sofort erkannt werden, und der Aufschlussverlauf wird entsprechend schnell und sicher kontrolliert.

Ein Abschätzen der reaktivsten Probe für das Referenzgefäss entfällt.

Stattdessen können die Proben gemischt zusammen bearbeitet werden; der Arbeitsablauf wird flexibler und sicherer.

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PRODUKTE

BenchtopRöntgenpulverdiffraktometer

PANalytical, einer der führenden Hersteller von Systemen und Software für die Röntgenanalytik hat mit Aeris ein neues BenchtopRöntgenpulverdiffraktometer auf den Markt gebracht. Die einfache Bedienung und höchster Anwenderkomfort sind die massgeblichen Eigenschaften dieses Diffraktometers, mit dem unterschiedlichste Materialien schnell und präzise auf ihre Phasenzusammensetzung analysiert werden können.

Mit einem integrierten Touchscreen und einer neuen Bedienersoftware ist Aeris in jedem Labor sofort einsetzbar. Die Unterhaltskosten sind besonders gering, da lediglich ein 230-V-Stromanschluss benötigt wird. Kühlwasser oder Druckluft sind nicht erforderlich.

Aeris nutzt viele von PANalytical entwickelte Komponenten, die bereits für die Empyrean-Hochleistungs-XRD-Plattform entwickelt wurden. Daher sind die Datenqualität und die Analysegeschwindigkeit auf gleich hohem Niveau wie bei herkömmlichen Röntgendiffraktometern mit Röhrenleistungen >1 kW. Ein besonderes Merkmal ist die werksseitige Ausrüstung mit allen Schnittstellen für eine Einbindung in eine Laborautomatisierung.

Daher eignet sich Aeris insbeson-

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dere für die industrielle Prozesskontrolle.

In der industriellen Anwendung gibt es vielfältige und unterschiedliche Anforderungen an ein Röntgendiffraktometer. Aeris wird in Editionen erhältlich sein, die massgeschneiderte Ausstattungen für verschiedene Industrien umfassen.

Diese Editionen ermöglichen eine schnelle und präzise qualitative und quantitative Phasenanalyse zur Steuerung und Überwachung des Produktionsprozesses.

Die «Research» Edition ist für den Einsatz an Universitäten und Forschungseinrichtungen konzipiert worden. Diese Edition ist mit einem 2D-Detektors ausgerüstet und kann besonders gut für die Lehre eingesetzt werden. Zudem können dank der einfachen Bedienung Studenten und Doktoranden leicht in die Röntgenpulverdiffraktion eingearbeitet werden.

PANalytical – Zweigniederlassung Zürich Allmendstrasse 140 CH-8041 Zürich Telefon +41 (0)44 488 40 90 Telefax +41 (0)44 488 40 91 Roman.Trittibach@panalytical.com www.panalytical.com

TOC/TNb-Analytik in anspruchsvollen Applikationen

Im Rahmen der Umsetzung der europäischen Industrial Emissions Directive (IED) erfolgt aktuell die Implementierung der besten verfügbaren Technologie (Best Available Technique – BAT) zur Reduktion von Industrieemissionen über industriespezifische BAT-ReferenzDokumente (BREF). Dabei kommt im Bereich der Überwachung von Abwassereinleitungen unter anderem auch den Parametern TOC und TNb eine wachsende Bedeutung zu.

Im Raffineriebereich für Öl und Gas werden zum Beispiel anhand von Parametertabellen klare Festlegungen zu den zu überwachenden Parametern, der Probenahmehäufigkeit und der anzuwendenden analytischen Methode getroffen.

Mit einer täglichen Überwachung für die Parameter Gesamtstickstoff und TOC wird eine drastische Erhöhung der Frequenz im Vergleich zu bisherigen Regelungen gefordert und im selben Zusammenhang eine klare Bevorzugung des TOC gegenüber dem CSB ausgesprochen, da hier keine stark toxischen Verbindungen zum Einsatz kommen.

Im Raffineriebereich, wie auch in vielen anderen Industrien stellt die

Abwasseranalytik besondere Anforderungen an die Analysentechnik.

Mit der multi N/C-Serie trägt die Analytik Jena diesen Herausforderungen Rechnung. Diese spezialisierten TOC/TNb -Analysatoren können speziell in Einsatzbereichen angewendet werden, in denen aufgrund partikulärer oder öliger Probenbestandteile mit einem hohen Probenverschleppungsrisiko zu rechnen ist.

Dabei ist besonders die Direktinjektionstechnik mit ihren robusten Spülmöglichkeiten für die Dosierspritze hervorzuheben, welche ohne Schläuche und Ventiltechnik auskommt. Der multi N/C 2100S mit seiner septumfreien Direktinjektionstechnik über eine äusserst partikelgängige wide-bore Kanüle zeichnet sich hier besonders aus.

Mit geringstem Platzbedarf und höchstem Automatisierungsgrad ist der Analysator nicht nur in der Abwasseranalytik sondern durch seinen sparsamen Probenumgang auch im Forschungsbereich und selbst in der Qualitätskontrolle von Impfstoffen im Pharmabereich hervorragend geeignet.

Die Analytik Jena bietet auf die Geräte ihrer multi N/C-Serie eine 10-Jahres-Langzeitgarantie sowohl auf den NDIR-Detektor als auch auf den Ofen. Die Modelle der multi N/C-Gerätefamilie sind darüber hinaus auf alle gängigen TOC/ TNb -Applikationen zugeschnitten, wie beispielsweise die TOC-Reinstwasseranalytik.

Analytik Jena AG Konrad-Zuse-Strasse 1 D-07745 Jena Telefon +49 (0)3641 77 70 Telefax +49 (0)3641 77 9279 info@analytik-jena.de www.analytik-jena.de

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