ChemieXtra 9/2011 by SIGWERB GmbH

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September 2011

FACHBERICHTE · MESSEN · NEWS

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

Mikrobiologische Sicherheitswerkbank

Sicher – leise – sparsam EN-12469 ab 44 dB(A) ab 105 Watt Wir setzen keine Masstäbe. Wir machen sie! Gemeinsam immer einen Schritt voraus

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EDITORIAL

Do you speak English? Vor einigen Jahren besuchte ich in Zürich die Tagung eines bekannten Schweizer Forschungs-

Ready-to-use Reagenzien ...

instituts. Muttersprache der Referentinnen und Referenten war fast ausschliesslich Schweizerdeutsch oder Hochdeutsch. In den Pausen war fast nur Hochdeutsch oder Schweizerdeutsch zu hören. Aber die Referate wurden in Englisch gehalten. (Wobei leider teilweise die Herkunft der Referenten deutlich herauszuhören war.) Noch ein Blick in die nähere Vergangenheit: Vom Pressedienst der ETH Zürich wurde eine Pressemeldung auf Englisch versandt, auf eine deutsche Version wartete man vergeblich. Ich habe darauf mit einer Mail reagiert und argumentiert, dass die ETH eine vom Schweizer Volk grosszügig unterstützte Institution sei und man deshalb erwarten könne, dass Pressemeldungen auch auf Deutsch erhältlich sein müssten. Und dies auch, weil

... und

in den Deutschschweizer Redaktionen der gleiche Text x-mal auf Deutsch übersetzt werden musste. Seither gibts die Texte wieder auf Deutsch, teil-

CHEMIKALIEN

weise auch auf Englisch. Ob dies mein Verdienst ist, bleibe dahingestellt.

für jeden und

Warum ich dies schreibe? Am Standort Wädenswil der Zürcher Hochschule

den speziellen Bedarf!

für Angewandte Wissenschaften fand am 1. und 2. September die BioTech 2011 statt. Das Thema der Veranstaltung: «Bio Process Analytics and Sensor Technology». Sie ahnen es schon: alles in Englisch. Ich teilte den Organisatoren mit, ich hätte Mühe mit Veranstaltungen, bei denen vor allem Deutsch sprechende Referenten ihre Präsentationen in Englisch halten (müssten). Die Antwort kam prompt. Man wolle sich dem Trend nicht verschliessen, dass sowohl im akademischen Umfeld wie auch in grossen Schweizer Konzernen die englische Sprache Alltag geworden sei. Zudem habe man so auch Anmeldungen von Teilnehmern aus dem Ausland erhalten. Nun, ich war am ersten Veranstaltungstag in Wädenswil. Überrascht hat

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mich die sprachliche Qualität der Referate. Teilnehmer aus dem Ausland konnte ich dagegen nur wenige ausmachen. Ob eine in Deutsch gehaltene Veranstaltung mehr Teilnehmer aus der Schweiz angezogen hätte? Ich vermute und hoffe es, kann es aber nicht beweisen.

mit Neuheiten & Sonderangeboten

Laborbedarf - Life Science - Chemikalien

Kurt Hermann, Redaktor redaktion@sigwerb.com 9 / 2011

ROTH AG Fabrikmattenweg 12 - 4144 Arlesheim Tel: 061/712 11 60 - Fax: 061/712 20 21 info@carlroth.ch - www.carlroth.ch

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

CHEMIE

FIRMENREPORTAGE

FIRMEN BERICHTEN

VERFAHRENSTECHNIK

ANALYTIK

Spezielle Bindungen in Hochdruck-Borkristallen

In Borkristallen, die im Hochdruck-Laboratorium hergestellt wurden, hat ein Forschungsteam chemische Bindungen entdeckt, die in borhaltigen Materialien bisher unbekannt waren.

NEWS

BIOWISSENSCHAFTEN

Nanosensor erkennt kleinste Mengen an PETN 37

FORSCHUNGSWELT Wo Elektronen im Stau stehen

Die dünnsten Drähte der Welt, hergestellt aus purem Gold, sorgen für Aufsehen wegen ihrer ungewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit: Die Elektronen bewegen sich nicht frei durch den Draht, sondern wie Autos im Stop-and-go-Verkehr.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

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

Der Nachweis der hochexplosiven Chemikalie Pentaerythrityltetranitrat (PETN) ist bislang technisch sehr aufwendig. Flughafenscanner und Sprengstoffhunde erkennen den Plastiksprengstoff kaum, da PETN minimal flüchtig ist und nur wenige Moleküle an die Umgebungsluft abgibt. Ein Nanosensor, den Materialwissenschaftler der TU Darmstadt entwickelt haben, könnte in Zukunft eine schnelle und zuverlässige Sprengstoffkontrolle ermöglichen.

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

Druckerei Sprüngli Druck AG Dorfmattenstrasse 28 CH-5612 Villmergen Telefon +41 (0)56 619 53 53 Telefax +41 (0)56 619 53 00 info@spruenglidruck.ch www.spruenglidruck.ch

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Jahresabonnement Schweiz: CHF 38.00 (inkl. Porto/MwSt.) Jahresabonnement Ausland: CHF 58.00 (inkl. Porto) Copyright Zur Veröffentlichung angenommene Originalartikel gehen in das ausschliessliche Verlagsrecht der SIGWERB GmbH über. Nachdruck, fotomechanische Vervielfältigung, Einspeicherung in Datenverarbeitungsanlagen und Wiedergabe durch elektronische Medien, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Verlags. Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen. Copyright 2011 by SIGWERB GmbH, CH-6301 Zug

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

PHARMA

Powtech/TechnoPharm in Nürnberg

Neuer Malariaimpfstoff für Kinder ist wirksam

Im Kampf gegen die Malaria ist ein wichtiger Durchbruch gelungen. Ein neuer Impfstoffkandidat hat bei Kindern in Tansania einen 50-Prozentschutz vor klinisch relevanten Malariaattacken vermittelt.

ERNÄHRUNG

WERKSTOFFE

VERANSTALTUNGEN 62

Vom 11. bis 13. Oktober 2011 werden erneut über 1000 Aussteller aus aller Welt in Nürnberg erwartet, um in den sechs Hallen der Powtech und TechnoPharm Produkte und Dienstleistungen aus den Bereichen mechanische Verfahrenstechnik, Analytik und Life Science Technologien zu präsentieren. Ergänzt werden die Fachmessen von einem umfangreichen Rahmenprogramm.

POLITIK UND WIRTSCHAFT

PRODUKTE

LIEFERANTENVERZEICHNIS

Material für schnellere Elektronik

An der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität (TU) Wien konnten Lichtdetektoren aus Graphen erzeugt und erstmals genau analysiert werden.

UMWELT

September 2011

Die BlueSeries Generation der mikrobiologischen Sicherheitswerkbänke Klasse II geben neue Maßstäbe für die gesamte Branche vor!

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ZUM TITELBILD

FACHBERICHTE · MESSEN · NEWS

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR DIE CHEMIE- UND LABORBRANCHE

Sicher–Leise–Sparsam, wie keine Andere. Sicher – Die kompromisslose Arbeitssicherheit steht an erster Stelle! Um diese hervorragenden Leistungsmerkmale erreichen zu können, wurden keine Risiken in Kauf genommen. Die Zertifizierung nach EN-12469 und der einheitliche, laminare Luftstrom (Mittelwert ± 5%) garantieren über den gesamten Arbeitsbereich die Sicherheit der Anwender, der Produkte und der Umwelt. 9 / 2011

Mikrobiologische Sicherheitswerkbank

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CHEMIE

Halbleitermaterial mit überraschenden Eigenschaften

Spezielle Bindungen in Hochdruck-Borkristallen Die Welt der chemischen Bindungen ist noch immer für Überraschungen gut. In Borkristallen, die im HochdruckLaboratorium des Bayerischen Geoinstituts (BGI) hergestellt wurden, hat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth chemische Bindungen entdeckt, die in borhaltigen Materialien bisher unbekannt waren. Unter extremen Drücken synthetisierte Borkristalle besitzen als Halbleitermaterialien hochinteressante Eigenschaften

Bild: Sander van Smaalen

Leonid Dubrovinsky ein zuverlässiges Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Borkristalle unter hohen Drücken zu synthetisieren. Für diese aufwendigen Arbeiten bildeten die europaweit einzigartigen Technologien der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung im Bayerischen Geoinstitut, einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth, eine leistungsstarke Infrastruktur. Mit dem neuen Verfahren ist es gelungen, qualitativ hochwertige Einkristalle zu züchten. Darin sind Ikosaeder, die jeweils aus zwölf Boratomen bestehen, in einer durchweg einheitlichen und stabilen Gitterstruktur angeordnet.

Kooperation mit der ESRF Bild 1: Das Gradientenbild der Elektronendichte zeigt einen Ausschnitt aus einem Borkristall, der unter hohem Druck synthetisiert wurde. Die Zentren B1, B4 und B5 markieren die Positionen von Boratomen. Die blauen Punkte zwischen B1 und B4 stehen für 1-Elektron-2-ZentrenBin dungen. Die drei blauen Punkte, welche B4-B4-B5 verbinden, stehen zusammen mit dem grünen Punkt in der Mitte von B4-B4-B5 für eine 2-Elektronen-3-Zentren-Bindung.

Bor ist ein chemisches Element, das hinsichtlich seiner Strukturen weniger gut erforscht ist als andere chemische Elemente. Insbesondere die chemischen Bindungen, die zwischen Boratomen bestehen, sind längst nicht vollständig aufgeklärt. Denn moderne Untersuchungsverfahren mit Synchrotron-Röntgenstrahlung, die grundsätzlich über die Lage der Elektronen und über die Art der chemischen Bindungen in einem Material Aufschluss geben können, liessen sich lange Zeit auf das leichte Element Bor nicht anwenden. Um diese Verfahren für die Untersuchung von Bor einsetzen zu können, benötigt die Forschung möglichst hochwertige Einkristalle. Einkristalle eines Materials sind dadurch charakterisiert, dass sich die Atome in eine 4

einheitliche Gitterstruktur einfügen. Sie gelten in der Forschung als qualitativ hochwertig, wenn keine oder allenfalls geringfügige Abweichungen von der Gitterstruktur vorkommen.

Hochwertige Einkristalle Hochwertige Einkristalle, die sich aus Boratomen zusammensetzen, entstehen aber nur unter technisch äusserst anspruchsvollen Bedingungen und waren deshalb für die Forschung lange Zeit nicht verfügbar. Und so blieben die chemischen Bindungen in borhaltigen Materialien weitgehend unzugänglich. Vor zwei Jahren hat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth unter der Leitung von

Diese Einkristalle wurden mit Synchrotronstrahlung analysiert, das heisst, mit einer intensiven Röntgenstrahlung, die im Teilchenbeschleuniger zu Forschungszwecken gezielt erzeugt wird. Die Arbeiten standen unter der Leitung von Sander van Smaalen, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Kristallografie innehat, und Natalia Dubrovinskaia, die vor kurzem in Bayreuth eine Heisenberg-Professur für Materialphysik und Technologie bei extremen Bedingungen übernommen hat. Das Bayreuther Team arbeitete eng mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble zusammen, einer der grössten Synchrotronstrahlenquellen in Europa. Die hier durch Röntgenbeugung gewonnenen Daten wurden mit speziellen Rechenprogrammen in sogenannten «Gradientenbilder» übersetzt. Gradientenbilder geben Auskunft über die unterschiedliche Elektronendichte in einem Material. Sie ermöglichen zuverlässige Rückschlüsse auf die Position und die Stabilität von chemischen Bindungen, die zwischen den Atomen bestehen. 9 / 2011

Auswertung von Gradientenbildern Gemeinsam mit einer Arbeitsgruppe für Theoretische Physik an der Universität Linköping haben die Bayreuther Hochdruckforscher die Gradientenbilder ausgewertet, die bei der Analyse der Hochdruck-Borkristalle entstanden waren. Dabei entdeckten sie zwei Arten von chemischen Bindungen, von denen man bisher nicht wusste, dass sie innerhalb eines Borkristalls existieren können. Physikalisch gesprochen, handelt es sich einerseits um 1-Elektron-2-Zentren-Bindungen, die benachbarte ikosaedrische Borcluster verbinden; andererseits um polarkovalente 2-Elektronen-3-Zentren-Bindungen. Letzere werden gebildet zwischen einem Paar von Atomen aus einem ikosaedrischen Borcluster und einem Atom der interstitiellen B2-Gruppe. «Diese für uns überraschenden Erkenntnisse sind zunächst einmal für die Grundlagenforschung interessant», erklärt van Smalen. «Wir müssen aber mit der Möglichkeit rechnen, dass die unter extremen Drücken gebildeten Borkristalle an Bedeutung für die Industrie gewinnen. Denn wenn sie für elektronische Geräte und Schaltungen als Halbleiter eingesetzt werden, besitzen sie einzigartige optische Eigenschaften und zeichnen sich durch eine überdurchschnittliche Härte aus. Für derartige industrielle Anwendungen können unsere Grundlagenforschungen in einer Weise relevant werden, die sich heute noch nicht absehen lässt.» Quelle: Universität Bayreuth Originalpublikation S. Mondal et al., «Electron-Deficient and Polycenter Bonds in the High-Pressure β-B28 Phase of Boron», Physical Review Letters 106, 215 502 (2011).

Kontakt Prof. Dr. Sander van Smalen Universität Bayreuth Lehrstuhl für Kristallographie D-95440 Bayreuth Telefon +49 (0)921 55-3886 smash@uni-bayreuth.de www.uni-bayreuth.de 9 / 2011

CHEMIE

Sensoren für Gase und Flüssigkeiten

Neue Eigenschaft von Nanoröhrchen

Bild: TRM

Für die Anwendung von Titannanoröhrchen eröffnet sich durch aktuelle Forschungsergebnisse des Translationszentrums für Regenerative Medizin (TRM) der Universität Leipzig eine völlig neue Perspektive: Am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V. (IOM) Leipzig haben Kristina Fischer und Stefan Mayr die mechanischen Eigenschaften von Nanoröhrchen herausgefunden, dass sie als hochempfindliche Sensoren für Gase und Flüssigkeiten eingesetzt werden können.

Bild 1: Oberflächentopographie der Nanoröhrchen/Untersuchung des Schwingungs- und Dämpfungsverhaltens einer Nanotube-Matrix auf einem Titansubstrat.

In ihren Experimenten untersuchten die Wissenschaftler, die sowohl am TRM als auch am IOM tätig sind, die mechanischen Eigenschaften einer Matrix aus TitandioxidNanoröhrchen in Abhängigkeit der Herstellungsparameter. Bei der experimentellen Umsetzung wurde das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten einer Matrix von Nanotubes auf einem Titansubstrat untersucht. Zur grossen Überraschung der Forscher veränderten sich Schwingungs- und Dämpfungsverhalten deutlich, wenn die Nanoröhrchen mit Gasen oder Flüssigkeiten in Kontakt kamen. Die Veränderung dieser mechanischen Eigenschaften wiederum war für verschiedene Gase und verschiedene Flüssigkeiten jeweils spezifisch. «Aufgrund der leicht messbaren Veränderungen der mechanischen Eigenschaften 6

und deren Elementspezifität sind die von uns untersuchten Nanoröhrchen als Sensoren für Gase und Flüssigkeiten sehr gut geeignet», fasst Stefan Mayr die Ergebnisse zusammen. «Die Nanoröhrchen reagieren zudem extrem sensitiv auf Moleküle fremder Stoffe, sodass bereits kleinste Mengen von Gasen oder Flüssigkeiten in der Umgebung feststellbar sind.»

Chemische Nasen für komplexe Gase und Flüssigkeiten Für den Physikprofessor steht ausser Frage, dass die von ihm und seiner Mitarbeiterin entdeckte Eigenschaft der Nanoröhrchen ihren Einsatz als Sensor, das heisst, als «chemische Nase» für komplexe Gase und Flüssigkeiten, ermöglichen kann. Vorstellbar sei, Nanoröhrchen in Mikrochips zu integrieren

und über das neu entwickelte Verfahren zum Beispiel die Umgebungsluft im Bereich verkehrsreicher Strassen, in Tunneln, im Umfeld von Industriebetrieben oder im Produktionsablauf zu kontrollieren. Im Bereich der Medizin ist weiterhin der Einsatz in «Lab-on-a-chip»-Anwendungen möglich, beispielsweise zur Untersuchung von Blutproben oder zur Kultivierung von Zellen. «All diese Einsatzmöglichkeiten sind denkbar, aber zum jetzigen Zeitpunkt noch Zukunftsmusik. Für eine Realisierung ist noch viel Forschung und Entwicklungsarbeit notwendig», resümiert Mayr. Nanoröhrchen aus Titandioxid sind seit einigen Jahren Gegenstand intensiver Forschung. Bisher fokussierte sich die Forschung für ihre Einsätze in der Biomedizin vor allem auf ihre Biokompatibilität. Die Nanoröhrchen, die sich wie ein winziges Wabengitter auf Titanimplantate ätzen lassen, verleihen den üblicherweise glatten Metalloberflächen eine poröse Oberfläche und ermöglichen somit eine bessere Haftung von Zellen am Implantat. Quelle: TRM, Leipzig

Originalpublikation K. Fischer, S. G. Mayr, «In-Plane Mechanical Response of TiO2 Nanotube Arrays – Intrinsic Properties and Impact of Adsorbates for Sensor Applications», Advanced Materials, article first published online: 18 July 2011, doi: 10.1002/adma.201101286 9 / 2011

CHEMIE

Supermikroskop misst Schwingungen von Elektronen

Schnelle Prozesse in winzigsten Objekten verfolgt Ein neuartiges Hightechmikroskop haben Forscher aus Bielefeld, Kaiserslautern und Würzburg entwickelt: Es stellt Objekte millionenfach vergrössert und Bewegungen um eine Million Milliarden Mal verlangsamt dar. Kein Wunder, dass die Top-Zeitschrift «Science» darüber berichtet.

rente zweidimensionale Spektroskopie bezeichnen. Mit einer neu entwickelten Abfolge von Laserimpulsen und dem Nachweis der dabei emittierten Elektronen gelangten die Physiker und Physikochemiker schliesslich ans Ziel.

Bild: Walter Pfeiffer, Universität Bielefeld

Quelle: Universität Würzburg Originalpublikation Martin Aeschlimann et al., «Coherent Two-Dimensional Nanoscopy», Science, Published Online 11 August 2011 doi: 10.1126/science.1209206

Robert Emmerich Mit der neu entwickelten Technik lassen sich extrem schnelle Prozesse in winzigsten Objekten verfolgen – mit einer bislang einzigartigen räumlichen und zeitlichen Auflösung. «Wir haben damit erstmals festgestellt, wie lange die Schwingungen von Elektronen in einer einzelnen Nanostruktur andauern», sagt Tobias Brixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Würzburg. Bei den Analysen zeigte sich: Die kollektive Elektronenbewegung nach der Anregung einer Silber-Nanostruktur mit Licht hält an einzelnen Stellen bis zu 20-mal länger an als bisher vermutet. Die Dauer der Elektronenschwingung ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Sie hat auch entscheidenden Einfluss auf die Effizienz von Energietransportprozessen, wie sie zum Beispiel in Solarzellen oder bei der Photosynthese der Pflanzen ablaufen. 9 / 2011

«Unsere neue Methode wird es in der Zukunft ermöglichen, in vielen natürlich und künstlich nanostrukturierten Materialien sehr schnelle Vorgänge zu verfolgen», so die Wissenschaftler. Wie den Kooperationspartnern dieser Erfolg gelang? Sie haben die Vorteile eines Elektronenmikroskops mit der Anregung durch ultrakurze Laserlichtblitze und der damit erreichbaren hohen Zeitauflösung kombiniert. Dadurch erkennen sie zehnmal feinere Strukturen als mit optischen Mikroskopen und verfolgen die zeitliche Entwicklung der Objekteigenschaften mit der extrem hohen Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden – eine unvorstellbar kurze Zeit, «in der ein Düsenjet eine Strecke zurücklegt, die kleiner ist als der Durchmesser eines Atoms», wie Brixner vergleicht. Um superschnelle Vorgänge im Mikrokosmos verfolgen zu können, setzten die Forscher eine komplexe Folge von ultrakurzen Laserimpulsen ein, die Experten als kohä-

DISCOVER NEW SOLUTIONS FOR LIQUID CHROMATOGRAPHY

Bild 1: Mit ultrakurzen Laserimpulsen (rot) lassen sich an der Oberfläche einer Nanostruktur die Schwingungen von Elektronen (rote Kugeln) messen.

Kontakt Prof. Dr. Tobias Brixner Universität Würzburg Institut für Physikalische und Theoretische Chemie Am Hubland, D-97074 Würzburg Telefon +49 (0)931 31 863 30 brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Geissbrunnenweg 14, CH-4452 Itingen BL Tel. 061 971 83 44, Fax 061 971 83 45 E-Mail: info@sebio.ch, www.sebio.ch

CHEMIE

Schneller als gedacht

Recycling im tiefen Erdinnern Das Geo-Recycling läuft in Vulkanen viel schneller ab, als Wissenschaftler bislang annahmen. Gestein des Erdmantels, das wegen der Bewegung der Erdplatten ins Erdinnere absinkt, gelangt über Vulkane bereits nach rund 500 Millionen Jahren wieder an die Erdoberfläche. Das haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz anhand vulkanischer Gesteinsproben festgestellt. Zuvor gingen Geowissenschaftler davon aus, dass dieser Prozess etwa zwei Milliarden Jahre dauert.

Viermal schneller als bisher angenommen Die chemische Analyse von winzigen, glasigen Einschlüssen im Olivinbasalt des Mauna Loa-Vulkans auf Hawaii lieferte jetzt aber die geologische Überraschung: Der gesamte Recyclingvorgang benötigt maximal eine halbe Milliarde Jahre und läuft somit viermal schneller ab als bisher angenommen. In den mikroskopisch kleinen Einschlüssen des Gesteins finden sich Spurenelemente, die ursprünglich im Meerwasser gelöst waren und die Datierung des Recycling-Prozesses erlauben. Bevor die alte Ozeankruste in den Mantel absinkt, saugt sie sich nämlich mit Meerwasser voll, das die aufschlussreichen Spurenelemente in dem Gestein hinterlässt. Um die Einschlüsse untersuchen zu können, hatten Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz eine spezielle Laser-Mas8

senspektrometrie-Methode entwickelt. Mit ihrer Hilfe lassen sich unter anderem Isotope von extrem geringen Strontiummengen analysieren. Strontium kommt typischerweise in Spuren auch im Meerwasser vor. Da sich das Isotopenverhältnis des Strontiums im Meerwasser während der Erdgeschichte ändert, lässt sich daraus das Alter der Meerwasserreste und des umgebenden Gesteins bestimmen.

Überraschendes StrontiumIsotopenverhältnis Zu ihrer Überraschung fanden die MaxPlanck-Forscher in ihren Proben ein Strontium-Isotopenverhältnis, das auf ein Alter von weniger als 500 Millionen Jahren schliessen lässt. Daher muss auch das Gestein, aus dem die Hawaii-Basalte entstehen, viel jünger sein als bislang angenommen. «Das Strontium des Meerwassers ist offenbar mit der Ozeankruste in den tiefen Erdmantel gelangt, aus dem es bereits nach einer halben Milliarde Jahre in den Laven der Hawaii-Vulkane wieder zu Tage tritt», erklärt Klaus Peter Jochum. «Es jetzt wieder zu entdecken, ist eine Riesenüberraschung.» Ebenso überraschend fanden die Wissenschaftler die grosse Bandbreite der Isotopenverhältnisse in den Einschlüssen einer einzigen Probe des Olivinbasalts. «Sie ist viel grösser als in allen Lava-Proben, die bislang von den Vulkanen Hawaiis untersucht wurden», sagt Alexander Sobolev. «Das deutet darauf hin, dass der Erdmantel auch in kleinen Bereichen chemisch viel heterogener ist als wir vorher dachten.» Die Vielfalt hat sich allerdings nur in den Schmelzeinschlüssen erhalten, weil die Lava so gut durchmischt wurde.

Bild: Sobolev, Max-Planck-Institut für Chemie

So gut wie alle Inseln in den Ozeanen sind Vulkane. Mehrere von ihnen, wie zum Beispiel Hawaii, sind aus dem untersten Teil des Erdmantels entstanden. Dieser geologische Prozess ähnelt der Bewegung farbiger Flüssigkeiten in einer Lavalampe: Heisses Gestein steigt in zylindrischen Säulen, den so genannten Mantel-Plumes, aus fast 3000 Kilometer Tiefe auf. In der Nähe der Oberfläche schmilzt es, weil der Druck nachlässt, und bricht in Vulkanen aus dem Erdinneren hervor. Die Plumes wiederum stammen ursprünglich von der ehemaligen Ozeankruste, die in der Frühzeit der Erde bis zum Boden des Erdmantels abgesunken ist. In den Plumes kommt dieses Gestein wieder an die Erdoberfläche. Bisher nahmen Forscher an, dass dieses Recycling etwa zwei Milliarden Jahre dauert.

Bild 1: Olivinkristall des Mauna Loa-Vulkans. Die braunen Ovale sind glasig erstarrte Einschlüsse, die als geschmolzene Tropfen in den entstehenden Olivinkristall gelangten. Bei den schwarzen Punkten handelt es sich um Gasblasen. In den glasigen Einschlüssen findet man Strontium-Isotopenverhältnisse, wie sie im Meerwasser vor 500 Millionen Jahren vorkamen.

Sobolev, Jochum und ihre Kollegen erwarten, auch bei anderen Vulkanen das gleiche Isotopenverhältnis nachweisen zu können und so die Recyclingdauer der Ozeankruste noch genauer bestimmen zu können. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Kontakt Prof. Dr. Alexander Sobolev Max-Planck-Institut für Chemie Joh.-Joachim-Becher-Weg 27 D-55128 Mainz Telefon +49 (0) 6131 305 609 alexander.sobolev@mpic.de www.mpic.de Originalpublikation Alexander V. Sobolev et al., «A young source for the Hawaiian plume», Nature, Published online 10 August 2011, doi: 10.1038/nature10321 9 / 2011

CHEMIE

Dem Ursprung des Lebens auf der Spur

RNA ohne Enzymhilfe effizient abgelesen Nach der RNA-Welt-Hypothese geht das Leben auf der Erde von RibonukleinsĂ¤uren (RNA) aus. Sie Ăźbertragen in der Zelle genetische Informationen und kĂśnnen biochemische Reaktionen katalysieren. Das fehlende PuzzlestĂźck bisher: Wie konnte die RNA vor Milliarden von Jahren ohne die Mithilfe von damals noch nicht vorhandenen Enzymen eine Kopie ihrer selbst herstellen, um die genetische Information weiterzugeben? Die Arbeitsgruppe um Clemens Richert vom Institut fĂźr Organische Chemie der UniversitĂ¤t Stuttgart konnten nachweisen, dass die RNA auch ohne Enzyme effizient abgelesen werden kann, wenn sie auf OberflĂ¤chen festgehalten wird.

Eine LĂźcke in der RNA-Welt-Theorie von der Entstehung des Lebens haben die Chemiker Christopher Deck, Mario Jauker und Clemens Richert vom Institut fĂźr Organische Chemie der UniversitĂ¤t Stuttgart nun geschlossen. Bei ihren Experimenten versuchten sie, die Reaktionen in einer frĂźhen Phase der Evolution nachzuspielen, in der noch keine Zellen existiert haben. Kurze RNA-StrĂ¤nge, die durch PolymerisationsvorgĂ¤nge auf MineraloberflĂ¤chen hĂ¤tten entstanden sein kĂśnnen, banden sie an magnetische Eisenoxidpartikel. Die festgehaltenen StrĂ¤nge umspĂźlten sie tĂ¤glich mit einer frischen LĂśsung, in der die RNABausteine fĂźr die VerlĂ¤ngerung eines kurzen Gegenstrangs â&#x20AC;&#x201C; quasi die Buchstaben des genetischen Alphabets â&#x20AC;&#x201C; schwammen. Die Ausbeute an neu eingelagerten ÂŤBuchstabenÂť des Gegenstrangs war selbst dann noch hoch, wenn ein ÂŤBuchstabeÂť eingebaut werden musste, der ohne Enzymhilfe nur schwach an die RNA-Matrize bindet.

eignen, den als Matrize dienenden RNAStrang nicht nur entstehen, sondern spĂ¤ter auch ablesen zu lassen.

Bisher hatten Wissenschaftler stets beobachtet, dass die enzymfrei ablaufenden Reaktionen fĂźr natĂźrliche RNA irgendwann zum Erliegen kommen. Richert und sein Team konnten dieses PhĂ¤nomen ebenfalls registrieren, wenn die RNA-StrĂ¤nge nicht an eine OberflĂ¤che gebunden waren, sondern mit den RNA-Bausteinen frei in der LĂśsung schwammen. Der Grund: Die einzelnen Bausteine zerfallen langsam und die Zersetzungsprodukte blockieren zunehmend die Ablesereaktion. Die jetzt verĂśffentlichten Experimente fanden zwar nur an Sequenzen statt, die keine Gene darstellen, sie stĂźtzen aber die Hypothese von der RNA als Urbaustein bei der Entstehung des Lebens. ZukĂźnftig will Richert mit seiner Arbeitsgruppe lĂ¤ngere RNA-Sequenzen studieren und noch mehr Einzelschritte in der Entstehung doppelstrĂ¤ngiger RNA in einem einzigen Experiment anstossen. Beispielsweise kĂśnnten OberflĂ¤chen aus Tonmineralien sich besser

Quelle: UniversitĂ¤t Stuttgart Originalpublikation Christopher Deck, Mario Jauker & Clemens Richert, ÂŤEfficient enzyme-free copying of all four nucleobases templated by immobilized RNAÂť, Nature Chemistry 3, 603â&#x20AC;&#x201C;608 (2011).

Kontakt Prof. Clemens Richert UniversitĂ¤t Stuttgart Institut fĂźr Organische Chemie Pfaffenwaldring 55 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0) 0711 685 643 11 lehrstuhl-2@oc.uni-stuttgart.de

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NEWS

Bilder: Univeristät Bern

Forschungsgelder für Berner Forscher

Andrea Cannizzo (37)

Siegfried Hapfelmeier (38)

Kathy McCoy (47)

Drei Forscher an der Universität Bern erhalten vom Europäischen Forschungsrat je einen Starting Grant. Der von der Europäischen Union 2007 gegründete European Research Council (ERC) ist die erste gesamteuropäische Förderagentur für Spitzen-Grundlagenforschung. Seine Aufgabe und sein Anspruch ist die Förderung der freien Forschung der besten Forscher Europas. Berner Forscher wurden bisher achtmal mit einem Förderpreis ausgezeichnet.

niken nur begrenzt möglich, Informationen zur Struktur und Dynamik von Proteinen zu erhalten. Cannizzo will für eine präzisere Analyse mehrdimensionale ultraschnelle optisch-spektroskopische Verfahren um das Ultraviolettspektrum erweitern. Damit sollen erstmals sowohl strukturelle als auch zeitliche Informationen über Proteine gefunden und gekoppelt werden. Die neue Technik wird dazu dienen, die Interaktion zwischen Proteinen besser zu verstehen, zum Beispiel die Enzymregulation im Hämoglobin oder Transferphänomene in Biomolekülen zu berechnen.

gene Bakterien hingegen, die den Körper bedrohen, antwortet der menschliche Organismus mit einer heftigen Immunreaktion und Durchfall. Mit einem neuartigen Ansatz will der Mikrobiologe Siegfried Hapfelmeier diese Immunantworten besser verstehen lernen. So entwickelt er pathogene Bakterien, die aufgrund eines Stoffwechseldefektes nur für wenige Stunden den Darm bevölkern können. So kommt es zwar zur Erkennung der Pathogene durch das Immunsystem aber nicht zur explosionsartigen Vermehrung der Erreger und zu keiner anhaltenden Infektion. Dadurch hofft der Forscher, die frühen Schritte der Immunreaktion besser nachvollziehen zu können. Die Erkenntnisse sollen zu einem tieferen Verständnis von chronisch entzündlichen Darmkrankheiten beitragen und womöglich eine Basis für ausgeklügelte Lebendimpfstoffe legen.

Molekulare Zeitmessung präziser machen Andrea Cannizzo (37), Postdoc am Institut für angewandte Physik und beim NCCR «Must» (Molecular Ultrafast Sciences and Technology), erhält einen Starting Grant in der Höhe von 1,6 Millionen Franken für ein Projekt im Bereich der ultraschnellen Prozesse von Molekülen. Die Laufzeit seines Projekts beträgt fünf Jahre. Proteine sind wegen ihrer Interaktion untereinander die ausgeklügeltsten «molekularen Maschinen». Die komplexen Prozesse laufen auf kleinsten Zeitskalen ab – von einer Quadrillionstelsekunde bis zu einer Millisekunde. Bisher war es selbst mit den neuesten experimentellen Tech10

Immunreaktionen besser verstehen Am Institut für Infektionskrankheiten forscht Siegfried Hapfelmeier (38). Für sein Projekt erhält der Mikrobiologe ebenfalls einen mit 1,6 Millionen Franken dotierten ERC Starting Grant, der eine Laufzeit von Oktober 2011 bis September 2016 hat. Der gesunde menschliche Darm enthält eine riesige Zahl an normalerweise gutartigen Bakterien, die der Verdauung helfen. Zwischen diesen «gutartigen» Darmbakterien und dem Immunsystem herrscht normalerweise ein friedliches Miteinander. Gegen krankheitserregende, also patho-

Zusammenhang zwischen Hygiene und Allergien Der dritte mit 1,6 Millionen Franken dotierte Starting Grant geht an Kathy McCoy (47), Oberassistentin in der Forschungsgruppe Gastroenterologie am Departement Klinische Forschung der Universität Bern, für die Erforschung von immunologischen

Mechanismen bei Allergien und Autoimmunerkrankungen. Ihr Projekt hat ebenfalls eine Laufzeit von fünf Jahren. McCoy beschäftigt sich mit der sogenannten «Hygiene-Hypothese»: Epidemiologische Studien haben ergeben, dass Verbesserungen in der Hygiene die Anfälligkeit für Allergien oder Autoimmunerkrankungen in entwickelten Ländern fördern. Der Anstieg in den vergangenen 40 Jahren könnte eventuell dadurch begründet werden, dass Menschen in ihrer Kindheit immer weniger Mikroben ausgesetzt seien. Unklar bleibt dagegen immer noch, welche immunologischen Mechanismen genau involviert sind und wie sie miteinander zusammenhängen. McCoy will diese Vorgänge offenlegen, um den möglichen positiven Einfluss der Mikroben auf unser Immunsystem besser zu verstehen. Damit sollen Allergien und Autoimmunkrankheiten einerseits vorgebeugt werden, andererseits sollen sie dadurch auch leichter behandelt werden können. Quelle: Universität Bern

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NEWS

Der baselstädtische Regierungsrat hat den diesjährigen Wissenschaftspreis Christoph Gerber verliehen. Er ehrt damit Christoph Gerber als Pionier der Nanotechnologien, der ohne eine klassische universitäre Ausbildung weltweit anerkannte Spitzenleistungen erbracht hat. Der mit 20 000 Franken dotierte Preis wird jährlich und im Turnus der sieben Fakultäten Forschenden zuerkannt, die zur Universi-

IN KÜRZE ■ Clariant (www.clariant.com) hat im zweite Quartal 2011 einen Umsatz von CHF 1,870 Milliarden erzielt, gegenüber CHF 1,894 Milliarden im Vorjahr. Darin ist der Umsatz von Süd-Chemie (SC) in Höhe von CHF 216 Millionen für Mai und Juni enthalten. In lokalen Währungen stieg der Umsatz um 14 Prozent. Aufgrund der starken Aufwertung des Schweizer Frankens gegenüber den meisten wichtigen Währungen verringerte sich der Umsatz in Schweizer Franken gegenüber dem Vorjahr um 1 Prozent. Die Akquisition der Süd-Chemie führte zu einem Anstieg der Nettoverschuldung von CHF 126 Millionen auf CHF 1791 Millionen am Jahresende 2010 mit einem resultierenden Verschuldungsgrad von 62 Prozent am Ende des zweiten Quartals 2011. ■ Im obersten Führungsgremium der Endress+Hauser Gruppe (www.ch.endress.com) kommt es zu einem Wechsel: Luc

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tät Basel in Beziehung stehen und sich durch herausragende wissenschaftliche Leistungen hervorgetan haben. Der 1942 in Basel geborene Physiker begann seine wissenschaftliche Karriere in der Forschungsabteilung der Firma Contraves in Schweden. Daraufhin war er während vieler Jahre in den IBM-Forschungslabors in der Schweiz, Deutschland und den USA tätig. 2001 begründe-

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IN KÜRZE

Schultheiss (49) zieht am 1. Januar 2012 als neuer Finanzchef ins Executive Board ein. Sein Vorgänger Fernando Fuenzalida (68) wechselt nach 13 Jahren als CFO in den Verwaltungsrat der Firmengruppe. ■ Lonza (www.lonza.com) erreichte im ersten Halbjahr 2011 ein solides Geschäftsergebnis. Der Umsatz erhöhte sich in konstanten Wechselkursen gerechnet um 4,8 Prozent (–8,3 Prozent in Berichtswährung gerechnet) auf CHF 1193 Millionen. Das Ebit erhöhte sich in konstanten Wechselkursen gerechnet um 4,6 Prozent auf CHF 136 Millionen (–21,4 Prozent in Berichtswährung gerechnet), die Wechselkurseffekte wirkten sich mit CHF –44 Millionen auf das Ebit aus. ■ Zum Internationalen UNOJahr der Chemie 2011 geben verschiedene Schweizer Institutionen zusammen mit dem Spielverlag Murmel ein neuar-

te er zusammen mit Hans-Joachim Güntherodt den Nationalen Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften am Departement Physik der Universität Basel, aus dem 2006 das Swiss Nanoscience Institute (SNI) hervorgegangen ist. Seither ist er am SNI der Universität Basel als Forschungsgruppenleiter und Direktor der wissenschaftlichen Kommunikation tätig. Quelle: Universität Basel

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IN KÜRZE

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tiges Chemie-Kartenspiel heraus (www.chemix.ch). ChemiX ist ein spannendes kombinatorisches Kartenspiel für 2 bis 4 Personen ab 10 Jahren, das nicht nur Schulstunden aufzulockern vermag, sondern bei Schülerinnen und Schülern spielerisch das Interesse an chemischen und naturwissenschaftlichen Prozessen weckt. ■ Bei Cytos Biotechnology AG (www.cytos.com) soll nach einer vorgängigen Konsultation der Mitarbeiter ein Abbau der Belegschaft um über 80 Prozent erfolgen. Die Partnerprogramme mit Novartis und Pfizer und Zahlungen im Zusammenhang mit diesen Programmen sind von dieser Entscheidung nicht betroffen. Ziel der neuen Ausrichtung ist die Maximierung des Werts von CYT003-QbG10, das sich in drei Phase II-Studien als sicher und wirksam in der Behandlung des allergischen Asthmas und der allergischen Rhinitis erwiesen hat.

Bild: Universität Basel

Wissenschaftspreis 2011 der Stadt Basel

Christoph Gerber

IN KÜRZE

■ Mit dem Bau einer zweiten Produktionsanlage für Hexachlordisilan hat Evonik Industries (http://corporate.evonik.com) im badischen Rheinfelden begonnen. Der Produktionsstart ist für die zweite Jahreshälfte 2012 geplant. Hexachlordisilan ist ein siliciumhaltiger Rohstoff für die Halbleiterindustrie und wird unter anderem für die effiziente und kostengünstige Herstellung von Speicherchips mit sehr hoher Speicherdichte eingesetzt. ■ Harvard, Stanford, MIT lautet die aktuelle Reihenfolge der Spitzenplätze, die die Shanghai Jiao Tong University im August veröffentlicht hat. Der vierte Platz im diesjährigen Academic Ranking of World Universities (ARWU) geht an die University of California. Cambridge als beste europäische Universität kommt auf den fünften Platz. Die ETH Zürich liegt wie im Vorjahr auf Rang 23 und behält ihre Stellung als beste Hochschule Kontinentaleuropas.

NEWS

Bild: Sensirion

Sensirion bezieht neues Produktionsgebäude

Das neue Produktionsgebäude.

Sensirion (www.sensirion.com) hat Mitte Juli ihr neues Produktionsgebäude in Stäfa feierlich eingeweiht. Nach einem achtmonatigen Umbau konnte die neu erworbene Produktionsstätte bezogen werden. Mit dem Kauf und Umbau des Gebäudes erschliesst der Sensorhersteller die Platzreserven, welche durch das Wachstum der vergangenen Jahre notwendig wurden.

Das Gebäude beherbergt in absehbarer Zeit die gesamte Produktion des Hightech Unternehmens, während im bisherigen Hauptgebäude weiterhin die Entwicklungs- und Verkaufsabteilungen, sowie die Administration zu Hause sind. Neu befinden sich auf drei Etagen und auf einer Fläche von insgesamt 10 000 m2 hochautomatisierte Fertigungslinien.

Das Herzstück der Produktionsstätte bilden vier Reinräume für die Herstellung der innovativen Sensorlösungen zur Messung von Feuchte- und Temperatur, Gas- und Flüssigkeitsdurchfluss sowie Differenzdruck. Der grösste Reinraum (zertifiziert gemäss ISO 6) weist eine Fläche von 1 000 m2 auf. Quelle: Sensirion

Lonza investiert in langfristig wachsendes Metaldehyd-Geschäft Lonza wird in Visp CHF 5,8 Millionen in eine Formulierungsanlage für Metaldehyd (Meta) investieren. Dies ermöglicht Lonza, eigene Formulierungen anzubieten, um damit zukünftig den Markt nicht nur mit Metaldehyd als Aktivsubstanz, sondern auch mit fertigen Schneckenkörnern bedienen zu können. Die Realisierung der Formulierungsanlage, welche voraussichtlich im zweiten Halbjahr

2012 in Betrieb genommen werden soll, ist eine konsequente Umsetzung der strategischen Ausrichtung der verantwortlichen Geschäftseinheit Nutrition. Die Formulierung von Schneckenkörnern ermöglicht den beabsichtigten zusätzlichen Schritt in der Wertschöpfungskette Richtung Endkunden. «Mit der Formulierung von fertigen Schneckenkörnern erarbeiten wir uns eine eigenständige

und unabhängige Position und können die nötige Marktnähe schaffen, um Innovationen voranzutreiben», sagt Roman Quinter, Leiter der Geschäftseinheit Nutrition. «Mit unserer hochmodernen Formulierungsanlage schaffen wir einen hohen Qualitäts- und Sicherheitsstandard im Molluskizid-Geschäft und entsprechen den strengeren regulatorischen und ökologischen Anforderungen.»

Der Bau der Formulierungsanlage in Visp stärkt den Standort in seiner Strategie, technologisch anspruchsvolle Produkte mit hoher Eigenleistung in Bezug auf Technologie, Prozesse und Patentfähigkeit anzubieten. Quelle: Lonza

Bayer CropScience hat in Argentinien die endgültige Zulassung für ihre Herbizidtoleranz-Technologie für Sojabohnen durch das Landwirtschaftsministerium erhalten. Die Liberty-Link-Technologie macht Pflanzen tolerant gegen das Herbizid GlufosinatAmmonium und ermöglicht so eine effektive und umfassende Unkrautkontrolle. «Die Zulassung dieser Technologie für Sojabohnen ist ein Beleg für eine sehr positive und konstruktive Einstellung zur Pflanzenbiotechnologie in Argentinien. Sie ist ein wichtiger Baustein für nachhaltigere und innovative Lösungen für Land12

wirte in Argentinien», sagte Mathias Kremer, Leiter des Geschäftsbereichs BioScience von Bayer CropScience. Derzeit nimmt die Resistenz von Unkräutern zu und erhöht den Bedarf an nachhaltigen Lösungen wie neuen HerbzidtoleranzEigenschaften – vor allem bei Sojabohnen. Die Liberty-Link-Eigenschaft ist ein wichtiges und effektives Werkzeug zur Unkrautkontrolle und eine Alternative zu gentechnisch veränderten Sojabohnen, die gegen das Herbizid Glyphosat tolerant sind. Bayer CropScience plant, gentechnisch veränderte Sojaboh-

Bild; Bayer CropScience AG

Zulassung für Liberty-Link-Sojabohnen in Argentinien

Ein Bayer CropScience-Experte im Gespräch mit zwei argentinischen Soja-Anbauern.

nen in Argentinien auf den Markt zu bringen, wenn die Zulassungen für weitere Pflanzeneigenschaften vorliegen. Diese

werden mit Liberty Link kombiniert und dann in den kommenden Jahren verfügbar. Quelle: Bayer CropScience 9 / 2011

NEWS

Mit einem neuen Wassernebelsystem von Siemens können Brände selbst aus einer Entfernung von acht Metern gelöscht werden. Sinorix H2O Jet ist für Industrieobjekte wie Turbinen, Lackierstrassen oder Produktionsanlagen gedacht. Spezielle Düsen erzeugen einen Nebel aus winzigen Wassertröpfchen. Wasser und das Treibmittel Stickstoff sind dabei ungefährlich, umweltfreundlich und hinterlassen keine Rückstände. Ein Feuer setzt Sauerstoff, Wärme und Brennstoff voraus. Wird nur einer der Faktoren entfernt, erlischt der Brand. Je nach Anwendung verwenden automatische Löschanlagen unterschiedliche Mittel: Wasser, Gase oder eine Kombination von Gas und Wasser. Wasser kühlt vor allem

Brandgut und -umgebung und verhindert so eine schnelle Ausbreitung. Wassernebelsysteme haben dabei gegenüber Sprinkleranlagen und Schaum- oder Gaslöschsystemen einige Vorteile: Der bei Sprinkleranlagen entstehende Wasserschaden an teuren Einrichtungen oder Anlagen wird vermieden; es bleiben keine Rückstände von Salzen oder Tensiden aus Schaumlöschmitteln. Bisher wird der Wassernebel allerdings meist mittels Hochdruck erzeugt, was die Installation relativ teuer macht. Siemens Building Technologies hat daher eine Zweiphasentechnologie entwickelt, die mit Niederdruck auskommt. Sinorix H2O Jet wurde speziell für den Schutz von Objekten

und deren Umgebung entwickelt. Die Zweiphasentechnologie nutzt Stickstoff als Treib- und Wasser als Löschmittel und erreicht damit einen maximalen Kühleffekt. Bei einem Druck von weniger als 16 bar werden Wassertröpfchen von 150 bis 200 Mikrometern Grösse erzeugt. Je kleiner die Wassertropfen, desto grösser die Oberfläche für die Wärmeabsorption und für die Erstickung eines Brands. Die optimale Tropfengrösse für das zu schützende Objekt berechnen die Siemens-Experten bereits bei der Planung der Anlage. Das System arbeitet mit zwei verschiedenen Düsen. Diejenige für den Objektschutz ist patentiert und arbeitet nach dem Lavalprinzip zur Optimierung des Flüssigkeitsaustritts. So kann aus

Bild: Siemens

Zweiphasentechnologie für Wassernebellöschung

Die Siemens-Division Building Technologies bringt mit Sinorix H2O Jet eine effiziente Löschanlage auf den Markt, die offene Brände mit einem Wassernebel zuverlässig kontrolliert oder löscht.

einer Entfernung bis acht Metern gezielt gelöscht werden. Der Wassernebel aus der anderen Düse schützt Objekte und deren Umgebung und kontrolliert das Feuer. Quelle: Siemens

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9 / 2011

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BIOWISSENSCHAFTEN

Stressschutz bei Cyanobakterien

Wie Blaualgen Energie hamstern

Bild: AG Rögner

Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, legen unter normalen Bedingungen ein Energiepolster an, das es ihnen erlaubt, unter Stress wie langer Dunkelheit zu überleben. Verantwortlich dafür ist ein molekularer Schalter in einem Enzym. Entfernt man diesen Schalter, sollte man die überschüssige Energie der Bakterien für biotechnologische Zwecke wie zum Beispiel die Wasserstoffproduktion nutzen können, ohne dass es ihnen dadurch schlechter geht. Das haben Forscher der Ruhr-Universität um Matthias Rögner herausgefunden.

Bild 1: In der Wildtypzelle (links) wird die durch Fotosynthese erzeugte Energie zur Herstellung von ATP verwendet. In der gentechnisch veränderten Zelle (rechts) kann ein beachtlicher Teil der Energie in Form von Protonen (H +) ohne ATP-Erzeugung die Membran durchqueren. Infolge dieser «Undichtigkeit» der ATPase können bestimmte Fotosyntheseprozesse mindestens doppelt so schnell ablaufen. Die zusätzlich gewonnenen Elektronen könnten biotechnologisch nutzbar gemacht werden (siehe Fragezeichen), zum Beispiel durch Einführung eines Enzyms, welches Wassestoff erzeugt (Hydrogenase).

Als Speicher für die mittels Fotosynthese gewonnene Energie in Pflanzen dient das energiereiche Molekül ATP. Auf- und bei Bedarf auch wieder abgebaut wird es vom Enzym ATPase. Um das Bakterium gegen Stresssituationen mit zu viel oder zu wenig Licht zu wappnen, verfügt die ATPase der Cyanobakterien über einen kleinen Bereich, der wie ein Schalter wirkt. Er verhindert, dass das ATP bei Dunkelheit, wenn keine Fotosynthese läuft, vorschnell wieder abgebaut wird. Das Bakterium legt so einen Vorrat an Energie an, der ihm über Stressphasen hinweg hilft. Allerdings verlangsamt dieser Schalter auch die Geschwindigkeit des fotosynthetischen Elektronentransports mit der Wasserspaltung im Licht: «Man muss sich das so vorstellen, als würde man gegen einen Widerstand etwas in einen vollen Speicher pressen wollen», verdeutlicht Matthias Rögner von der Ruhr-Universität Bochum. 14

Auf dem Weg zum biotechnologischen Wasserstoff Er und seine Kollegen haben im Experiment den Schalterbereich der ATPase bei Cyanobakterien gentechnisch entfernt. «Wir haben natürlich erwartet, dass es den Bakterien danach viel schlechter gehen würde und dass sie viel langsamer wachsen würden», erklärt er. «Aber das traf nicht zu.» Die Bakterien wuchsen unter Laborbedingungen – also ohne Lichtstress – ganz wie gewöhnlich. Allerdings legen sie einen geringeren ATP-Energiespeicher an, weswegen sie sehr lange Dunkelphasen schlechter überleben als der Wildtyp. Andererseits steht nun prinzipiell die überschüssige Energie im Licht zur biotechnologischen Nutzung zur Verfügung, die sonst in den Speicher wandert. «Dies sollte es ermöglichen, zukünftig mindestens 50 Prozent der aus der lichtgetriebenen Wasserspaltung gewonnenen Ener-

gie für andere Prozesse zu verwenden, zum Beispiel für eine solargetriebene biologische Wasserstoffproduktion durch cyanobakterielle Massenkulturen in Fotobioreaktoren», schätzt Rögner. Quelle: Ruhr-Universität Bochum Originalpublikation Mari Imashimizu et al., «Regulation of F0F1-ATPase from Synechocystis sp. PCC 6803 by γ and ε Subunits Is Significant for Light/Dark Adaptation», J. Biol. Chem. 286, 26595–26602 (2011). Weitere Informationen Prof. Dr. Matthias Rögner Fakultät für Biologie und Biotechnologie Ruhr-Universität Bochum Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 23634 matthias.roegner@rub.de 9 / 2011

BIOWISSENSCHAFTEN

Nachbildung von Strukturen in Zellen

Freier Blick auf sich selbst organisierende Proteine

Bild: Bioec, Martin Loose

Auf einer künstlichen Membran konnten Biophysiker des Biotechnologischen Zentrums der Technischen Universität Dresden (Biotec) das erste Mal beobachten, wie sich einzelne Proteine der Min-Familie, die in Bakterien die Zellteilung regulieren, selbst und gegenseitig organisieren. Der Arbeitsgruppe von Petra Schwille ist ein weiterer Schritt bei der Nachbildung von Strukturen in Zellen gelungen, die nun sehr detaillierte Beobachtungen von Proteinmustern ermöglichen.

Bild 1: Drei verschiedene Proteine der Min-Familie bilden auf der künstlichen Membran Muster, die wie Wellen aussehen und sich von links nach rechts bewegen.

Jedes biologische System, so auch die Zellen, besteht zunächst aus einem Gemisch von Biomolekülen. Die Dresdner Wissenschaftler um Petra Schwille interessiert, nach welchen Gesetzen sich plötzlich und ohne Steuerung von aussen die Moleküle in diesen homogenen Lösungen organisieren. In der Theorie ist das Phänomen, dass sich durch Diffusion und Wechselwirkung Muster ausbilden, gut verstanden. Experimentell sind solche Prozesse allerdings schwer nachzubilden. Die Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmässigen Verteilung von Teilchen und somit der Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. «Um besser zu verstehen, welche Eigenschaften die Moleküle benötigen, um verschiedene Bewegungsmuster auszubilden, haben wir ein oszillierendes System von 9 / 2011

Proteinen als Prototyp verwendet», sagt Martin Loose von der Dresdner Arbeitsgruppe. Für seine Doktorarbeit konnte er gemeinsam mit Kollegen zum ersten Mal die Oszillation von Proteinen künstlich nachbauen. Bei seinen Versuchen hat er verschiedene Proteine der Min-Familie verwendet, die natürlicherweise in Escherichiacoli-Bakterien vorkommen und dort die Zellteilung regulieren. Bakterien sind von einer Zellmembran und einer formgebenden Zuckerhülle umgeben. Normalerweise befinden sich die MinProteine im Inneren der Bakterien, aber im zellfreien Modell des Systems werden die Proteine frei auf die Membran aufgebracht. Als hauchfeiner Film aus Lipiden liegt für die Versuche die künstliche Zellmembran auf dem Deckgläschen – ähnlich einer auf-

geplatzten Seifenblase. «Das Gemisch der Min-Proteine befindet sich in Lösung über der Membran, sodass wir mit dem Fluoreszenzmikroskop genau die sich ausbreitenden Wellen beobachten können, die bei den Interaktionen der Proteine erzeugt werden», beschreibt Loose den stark energiegetriebenen Prozess des wechselseitigen Wirkens der Proteine aufeinander. Die Dresdner Biophysiker konnten weltweit das erste Mal beobachten, wie einzelne Moleküle der sogenannten MinD-Proteine an die künstliche Membran binden und auf welche Weise sie von den MinE-Proteinen wieder abgelöst werden. «Wir kennen zwar in etwa die Eigenschaften der einzelnen Moleküle, konnten ihr individuelles Verhalten in einer grossen Ansammlung aber bisher nicht sichtbar machen.» Loose ist sich sicher: «Unser mechanistischer Prototyp bringt uns weiter, biologische Selbstorganisation besser zu verstehen.» Quelle: TU Dresden Originalpublikation Martin Loose, Elisabeth Fischer-Friedrich, Christoph Herold, Karsten Kruse, Petra Schwille: «Min protein patterns emerge from rapid rebinding and direct membrane interaction of MinE», Nature Structural & Molecular Biology 18, 577–583 (2011).

Kontakt Prof. Dr. Petra Schwille TU Dresden Biotechnologisches Zentrum Tatzberg 47–51 D-01307 Dresden Telefon +49 (0)351 463 40329 petra.schwille@biotec.tu-dresden.de www.biotec.tu-dresden.de 15

BIOWISSENSCHAFTEN

Neue Komponente für Proteintransport

Ein Shuttle-Service in den Zellen Mit der Entdeckung eines neuen Enzyms haben Forscher der Ruhr-Universität um Ralf Erdmann entscheidende Einblicke in den Proteinimport in bestimmte Zellorganellen (Peroxisomen) erlangt [1]. Das Enzym Ubp15p arbeitet mit zwei Proteinen zusammen, um die Proteintransportmaschinerie nach getaner Arbeit in ihren Ausgangszustand zurückzuversetzen. Indem das Enzym eine bestimmte Signalsequenz von einem für den Transport wichtigen Protein abtrennt, recycelt es dieses Protein, so dass es eine neue Transportrunde starten kann.

Ein Guter Tipp

Bild 1: Der Import von Proteinen ins Peroxisom erfordert viele Komponenten. In der Zellflüssigkeit werden peroxisomale Proteine (rot, Kargoproteine) von dem Importrezeptor Pex5p (grün) erkannt und an die peroxisomale Membran dirigiert. Dort bilden Pex5P und weitere Proteine (gelb) eine Schleuse, durch die die Kargoproteine auf bislang unbekannte Weise in das Peroxisom transportiert werden. Enzyme (orange und gelb) markieren den Rezeptor anschliessend mit Ubiquitin (Ub). Diese Markierung dient als Signal für die Exportmaschinerie (blau), die den Rezeptor aus der Membran löst. Gleichzeitig wird das Ubiqutin vom neu entdeckten Enzym Ubp15p entfernt. Der Rezeptor ist bereit für einen neuen Importzyklus.

schliessend erneut für den Transport zur Verfügung stehen, wird ein Exportsignal (Ubiquitin) an die Rezeptoren angeheftet, das dafür sorgt, dass sie aus der Peroxisomen-Membran gelöst werden. Unklar blieb jedoch, was danach mit dem Ubiquitin-Signal passiert.

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Bild: RUB, Abteilung für Systembiochemie

Peroxisomen sind Multifunktionswerkzeuge. Sie verbrennen zum Beispiel Fettsäuren und machen das giftige Wasserstoffperoxid unschädlich. Eine Fehlfunktion dieser Organellen, wie bei den sogenannten ZellwegerSpektrumkrankheiten, kann verheerende Schäden für Leber-, Nieren- und Gehirnfunktion haben. Um korrekt zu funktionieren, benötigen Peroxisomen bestimmte Proteine, die sie jedoch nicht selbst herstellen können, sondern aus der Zellflüssigkeit durch ein Shuttle-System aus Rezeptoren importieren. Die Rezeptoren erkennen die für das Peroxisom bestimmten Proteine in der Zellflüssigkeit und eskortieren sie an ihren Bestimmungsort. Dort verbinden sie sich mit der Membran des Peroxisoms und bilden einen Teil des Schleusentors, durch das die Proteine ins Innere befördert werden. Damit sie an-

Neue Exportkomponente entdeckt In einer früheren Publikation in «Nature Cell Biology» berichtete Erdmanns Team bereits über zwei Motorproteine, die den mit Ubi-

quitin markierten Rezeptor Pex5p aus der Membran ziehen und zurück in die Zellflüssigkeit transportieren [2]. In einer weiteren Veröffentlichung postulierten sie, dass dieser Export des Rezeptors mechanistisch an den Import des peroxisomalen Proteins gekoppelt ist [3]. Das Ubiquitin konnte bislang jedoch nicht zusammen mit Pex5p in der Zellflüssigkeit nachgewiesen werden. «Wir sind also davon ausgegangen, dass das Ubiquitin während oder kurz nach dem Export von dem Rezeptor entfernt wird», erklärt Erdmann. Sein Team fand nun heraus, dass das Enzym Ubp15p das Export9 / 2011

signal abtrennt und zu diesem Zweck mit den beiden Motorproteinen zusammenarbeitet, die den Rezeptor aus der Membran des Peroxisoms entfernen.

Sie haben die Wahl – Wir haben den Service

Enzym könnte wichtig für Recycling sein Die Forscher konnten Ubp15p in lebenden Hefezellen lokalisieren und feststellen, dass das Enzym in direkten Kontakt mit einem der Motorproteine tritt, um zu den Peroxisomen zu gelangen. Als Erdmanns Team das Ubp15p in den Zellen ausschaltete, verringerte sich die Anzahl an Pex5p ohne Ubiquitin etwa um die Hälfte. Dafür lagen wesentlich mehr Pex5p-Moleküle vor, die mit Ubiquitin markiert waren. Dieses Ergebnis bestätigt die Rolle von Ubp15p bei der Abtrennung des Ubiquitin-Signals. Besonders unter Stressbedingungen scheint das Enzym eine wichtige Funktion beim Import von Proteinen in die Peroxisomen einzunehmen. «Mit Ubp15p konnten wir dem Mysterium um den Transport von Proteinen in das Innere der Peroxisomen ein weiteres Geheimnis entlocken», so Erdmann. «Diese Organellen auf molekularer Ebene zu verstehen, ist eine wichtige Voraussetzung, um Diagnosemöglichkeiten und Therapien für Patienten mit Peroxisomen-Erkrankungen zu entwickeln, die nur selten das erste Lebensjahr überleben».

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum

Originalpublikationen [1] Mykhaylo O. Debelyy et al., «Ubp15p, an ubiquitin hydrolase associated with the peroxisomal export machinery», First Published on June 10, 2011, doi: 10.1074/jbc.M111.238600 [2] Harald W. Platta et al., «Functional role of the AAA peroxins in dislocation of the cycling PTS1 receptor back to the cytosol», Nat. Cell. Biol. 7, 817–822 (2005). [3] Schliebs, W., Girzalsky, W., Erdmann, R., «Peroxisomal protein import and ERAD: variations on a common theme», Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 11 [12], 885–890 (2010).

Kontakt Prof. Dr. Ralf Erdmann Ruhr-Universität Bochum Abteilung für Systembiochemie Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 322 4943 Ralf.Erdmann@rub.de www.rub.de 9 / 2011

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BIOWISSENSCHAFTEN

Neue Behandlungswege für Infektionskrankheiten

Wie sich Körperzellen gegen Salmonellen wehren Salmonellen sind weitverbreitet. Dass wir nicht häufiger an schweren Magen-Darm-Infektionen erkranken, verdanken wir einem körpereigenen Abwehrmechanismus, der eindringende Bakterien verdaut. Daher wird ein gesunder Mensch in der Regel auch erst krank, wenn er mehr als 100 000 Bakterien über kontaminierte Nahrungsmittel wie Eier oder Fleisch aufgenommen hat. Wie die Körperzellen Salmonellen erkennen und unschädlich machen, hat eine internationale Forschergruppe unter Leitung von Ivan Dikic an der Goethe-Universität, in Frankfurt am Main, herausgefunden.

Eine Infektion mit Salmonellen beginnt damit, dass die Bakterien in die Epithelzellen der Darmschleimhaut eindringen. Damit sie sich dort nicht weiter vermehren, werden spezielle Zellorganellen, die Autophagosomen, aktiviert. Sie umschliessen die Eindringlinge und verschmelzen anschliessend mit anderen Organellen, den Lysosomen. Diese enthalten spezielle Verdauungsenzyme. So werden die Bakterien in ihre Bestandteile zerlegt. Aber wie erkennen die Autophagosomen die Salmonellen? Diesen Mechanismus hat die Forschergruppe um Ivan Dikic am Institut für Biochemie II der Goethe-Universität Frankfurt am Main entschlüsselt.

Salmonellen werden markiert Die Salmonellen werden zunächst mit dem Molekül Ubiquitin als «Abfallstoffe» markiert. Damit die Autophagosomen aktiv werden können, müssen die markierten Bakterien an das Molekül LC3 an der Membran der Autophagosomen binden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Protein Optineurin. Es verknüpft die markierten Salmonellen mit dem LC3 der Autophagosomen und löst somit eine selektive Autophagie aus. Optineurin wird allerdings nur dann als Bindeglied aktiv, wenn es zuvor durch ein Enzym chemisch modifiziert wurde (es wird durch die Protein Kinase TBK1 phosphoryliert). «Wir vermuten, dass die Phosphorylierung als ein regulierender Schalter für die selektive Autophagie wirkt. Der gleiche Mechanismus könnte auch von Bedeutung sein, wenn anstelle von Bakterien Proteinaggregate oder beschädigte Mitochondrien 18

abgebaut werden sollen», erläutert Dikic die Bedeutung des Ergebnisses. So sind gestörte Autophagieprozesse unter anderem an der Entstehung von Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt.

Bild: Ivan Dikic

Starke Zunahme der Magen-Darm-Erkrankungen Für die Infektiologie sind diese Ergebnisse vor allem deshalb von Bedeutung, weil die Zahl der Magen-Darm-Erkrankungen durch enterische Salmonellen in Deutschland seit Mitte der 1980er-Jahren stark zugenommen hat. Waren es 1985 noch rund 30 000 Fälle, zählten die Gesundheitsämter 2005 bereits rund 52 000 Fälle. Weltweit erkranken derzeit jährlich 94 Millionen Menschen an akuter Gastroenteritis, 155 000 sterben daran. Von Typhus, der ebenfalls von Salmonellen ausgelöst wird, sind jährlich 16 Millionen Menschen weltweit betroffen, von denen 200 000 sterben (insbesondere Kinder). Aufgrund einer rasch zunehmenden Resistenz der Bakterien gegen Antibiotika sind die therapeutischen Möglichkeiten begrenzt. So ist das früher eingesetzte Breitbandantibiotikum Chloramphenicol heute unwirksam, und auch gegen oft verwendete Fluoroquinolon-Antibiotika werden die Bakterien zunehmend resistent. «Neue Behandlungswege für Infektionskrankheiten müssen dringend gefunden werden. Ein besseres Verständnis der körpereigenen Abwehrmechanismen durch Autophagie könnte dabei helfen», so Dirk Bumann vom Biozentrum der Universität Basel. Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Bild 1: Schema einer Salmonelleninfektion und ihrer Abwehr durch Autophagie. Die entscheidenden zellulären Signale sind Ubiquitin, welches die Salmonellen als «Abfallstoffe» markiert, und das Enzym Optineurin. Es fungiert als Autophagie-Rezeptor und ermöglicht den Abbau der Salmonellen im Lysosom.

Originalpublikation Philipp Wild et al., «Phosphorylation of the Autophagy Receptor Optineurin Restricts Salmonella Growth», Science, Published Online 26 May 2011 doi: 10.1126/science.1205405 Kontakt Prof. Ivan Dikic Goethe-Universität Frankfurt am Main Institut für Biochemie II Theodor-Stern-Kai 7 D-60590 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 6301-5652 ivan.dikic@biochem2.de www.biochem2.de 9 / 2011

BIOWISSENSCHAFTEN

«Nachbau» zentraler Strukturen der Zellkernhülle

Hitzeliebender Pilz liefert DNA-Bausteine

Eine der auffälligsten Entwicklungen in der Evolution der eukaryontischen Zelle war die Ausbildung der Kernhülle, die die Erbinformation des Zellkerns umschliesst. Diese Hülle war aber gleichzeitig auch eine Barriere, die erst durchlässig für den Stoffaustausch zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma gemacht werden musste. Diese Aufgabe hat der Kernporenkomplex übernommen, der als Pfropfen in der Kernhülle wie ein Pförtner am Eingangstor einer grossen Fabrikanlage den «Güterverkehr» zwischen den Zellräumen vermittelt. Die Kernpore besteht aus rund 30 verschiedenen Einzelbausteinen, den Nukleoporinen oder Nups. Jedes dieser Nups hat die Fähigkeit, sich zu mehreren Kopien zusammenzulagern, so dass eine komplexe Nanomaschine aus insgesamt 500 Untereinheiten entsteht.

Kernporenbausteine aus thermophilen Eukaryonten Bisher war der Aufbau der Kernpore in ihrem inneren Strukturbereich weitgehend unverstanden – vor allem auch deswegen, weil sich der gesamte Komplex nicht ausserhalb der Zelle für die Forschung nachbilden liess. Das lag unter anderem daran, dass sich insbesondere die grossen Kernporenbausteine im isolierten Zustand äusserst labil verhielten. Ed Hurt und sein Team am BiochemieZentrum der Universität Heidelberg haben daher überlegt, Kernporenbausteine aus thermophilen Eukaryonten für biochemische Rekonstitutionen einzusetzen. Von hitzeliebenden Bakterien, die noch bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius wachsen können, war bekannt, dass ihre Proteine robuste Eigenschaften aufweisen. 9 / 2011

Bild: Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg

Mithilfe von DNA-Bausteinen eines hitzeliebenden Pilze ist es gelungen, zentrale Strukturen in der Hülle von Zellkernen für die Forschung im Reagenzglas nachzubilden. Dabei handelt es sich um den Kernporenkomplex, der den Stoffaustausch zwischen dem Zellkern und seiner Umgebung durch die Kernhülle hindurch ermöglicht. Die Forscher der Universität Heidelberg und des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) haben dazu das Genom des thermophilen Eukaryonten Chaetomium thermophilum sequenziert und daraus die Proteine isoliert, aus denen ein lange gesuchter Grundpfeiler der Kernpore zusammengebaut werden konnte.

Bild 1: Modell des Kernporenkomplexes in der Kernhülle, rekonstruiert mit Kernporenbausteinen aus Chaetomium thermophilum.

Auch im Reich der Eukaryonten gibt es solche Exoten. So ist Chaetomium thermophilum in der Lage, bei 50 bis 60 Grad abgestorbenes pflanzliches Material abzubauen; bei diesem Prozess können Spitzentemperaturen von bis zu 70 Grad entstehen. Hurt und sein Team haben die gesamte DNA-Sequenz des thermophilen Pilzes mit rund 28 Millionen DNA-Basen entschlüsselt. Peer Bork und seine Arbeitsgruppe am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie übernahmen die Aufgabe, das sequenzierte Genom zu ordnen und die Gesamtheit aller hitzeliebenden Proteine in diesem Organismus, immerhin mehr als 7000, zu identifizieren. Darunter waren auch die 30 gesuchten Bausteine für den Kernporenkomplex. Den Wissenschaftlern um Hurt gelang es schliesslich, ein zentrales Grundgerüst der Kernpore mit den entsprechenden Nups im Reagenzglas zusammenzubauen. Hurt und Bork sind zuversichtlich, dass ihre For-

schungsergebnisse wesentlich dazu beitragen, dass Chaetomium thermophilum künftig als Modellorganismus für die Erforschung von komplexen molekularen Maschinen von Eukaryonten genutzt werden kann. Quelle: Universität Heidelberg Originalpublikation Stefan Amlacher et al., «Insight into Structure and Assembly of the Nuclear Pore Complex by Utilizing the Genome of a Eukaryotic Thermophile», Cell 146 [2], 277–289 (2011). Kontakt Prof. Dr. Ed Hurt Universität Heidelberg, Biochemie-Zentrum Im Neuenheimer Feld 282 D-69120 Heidelberg Telefon +49 (0) 6221 54 4173 ed.hurt@bzh.uni-heidelberg.de www.uni-heidelberg.de 19

Bild: MPI für medizinische Forschung

Bild 1: Die Rekonstruktion von 114 bipolaren Nervenzellen von einem Stück Mausretina. Die Dendriten bilden dichte Bündel, an denen die bipolaren Zellen Signale von den Photorezeptoren erhalten. Die Zellkörper der bipolaren Zellen sind durch graue Bereiche markiert.

Das Konnektom des Gehirns – von Verzweigung zu Verzweigung

Nervennetzwerke schnell und exakt rekonstruiert Das menschliche Gehirn ist das komplizierteste aller Organe. Milliarden von Nervenzellen sind mit ihren Fortsätzen zu einem hochkomplexen, dreidimensionalen Netz verwoben. Die Kartierung des Netzwerks stellte Wissenschaftler bislang vor eine kaum lösbare Herausforderung. Am Heidelberger MPI für medizinische Forschung wurde eine Methode entwickelt, um die Mammutaufgabe anzugehen. Dazu wurden zwei neue Computerprogramme entwickelt, Knossos und Rescop. Mithilfe dieser Analysewerkzeuge haben mehr als 70 Studenten gemeinsam einen Verbund von über 100 Nervenzellen kartiert – schneller und weniger fehleranfällig als bisher.

Rund 70 Milliarden Nervenzellen, Hunderttausende von Kilometern Leitungsbahnen – das menschliche Gehirn ist so komplex, dass es lange Zeit unmöglich schien, dieses Netzwerk im Detail abzubilden. Denn jedes einzelne dieser Neurone ist über fein verästelte Fortsätze, die Dendriten und Axone, 20

mit etwa eintausend anderen Nervenzellen verbunden, mit denen es über elektrische Signale kommuniziert. Die Verschaltungen zwischen den Zellen sind entscheidend für die Funktion des Gehirns. Um dessen Funktionsweise zu erforschen, wollen Neurowissenschaftler daher

die Struktur dieser Nervennetze – das Konnektom – aufklären und in einer dreidimensionalen Karte darstellen. Weil dieser Aufgabe bisher kein Computer gewachsen ist, sind sie bei der Rekonstruktion auf das menschliche Auge angewiesen. Doch die schiere Zahl an Zellverbindungen, die selbst 9 / 2011

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in einem winzigen Gewebestück vorhanden sind, lässt das Unterfangen aussichtslos erscheinen – es sei denn, man verteilt es auf viele Schultern.

Unterstützung von mehr als 70 Studenten Moritz Helmstaedter, Kevin L. Briggman und Winfried Denk, Wissenschaftler am MaxPlanck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg, haben diese Vorgehensweise nun mit Erfolg getestet: Dazu haben sie eine spezielle Software namens Rescop entwickelt, die die Ergebnisse vieler Beobachter zu einem Gesamtbild zusammenfasst. Mit der Unterstützung von mehr als 70 Studenten der Heidelberger Universität haben sie so den Verbund von über 100 Nervenzellen aus einem Stück Netzhaut des Auges in allen Einzelheiten rekonstruiert. Das untersuchte Gewebestück war dabei nicht grösser als ein Sandkorn. Um die Verbindungen zwischen den Nervenzellen zu verfolgen, haben die Studenten das Computerprogramm Knossos verwendet, welches das Heidelberger Team entwickelt hat. Die Software trägt nicht umsonst den Namen der sagenumwobenen Palastes auf der griechischen Insel Kreta, der für seinen Irrgarten berühmt ist: «Den Verbindungen im Gehirn nachzuspüren ist mindestens so schwierig, wie den Weg aus einem mythologischen Labyrinth zu finden», schildert Helmstaedter das Problem. Um Nervennetze zu rekonstruieren, machen Forscher zunächst die Neurone in

einem Gewebeschnitt mithilfe von Schwermetallfärbungen sichtbar. Unter Benutzung von dreidimensionalen elektronenmikroskopischen Bildern folgen sie dann ausgehend vom Zellkörper dem Verlauf der Dendriten und Axone und markieren die Verzweigungspunkte auf dem Bildschirm. Anschliessend erstellen sie am Rechner ein dreidimensionales Bild des jeweiligen Ausschnitts. Nach und nach können sie sich so durch das Gewirr von Nervenzellen voranarbeiten.

Ein langwieriges Unterfangen Mit den bisher verfügbaren Programmen würde eine Person allein mindestens 30 Jahre brauchen, um einen Pfad von 30 Zentimetern zu rekonstruieren. Diese Verfahren sind zudem fehleranfällig, da die Verzweigungspunkte nicht immer leicht zu erkennen sind und die Aufmerksamkeit des Betrachters mit der Zeit nachlässt. Die Knossos-Software verkürzt die benötigte Zeit beträchtlich: Verglichen mit den bisher verwendeten Programmen ist die Methode etwa 50-mal schneller. Mithilfe von Rescop ist es ausserdem möglich, dass Dut zende Personen gleichzeitig an der Rekonstruktion mitarbeiten. Weil die Methode leicht zu erlernen ist, können auch Laien die Aufgabe übernehmen. Die meisten der Studenten arbeiteten von zu Hause aus und schickten ihre Ergebnisse elektronisch an die Wissenschaftler. Wie die Forscher nachweisen konnten, machten die besten Studenten dabei nicht mehr Fehler als erfahrener Neurobiologen.

Dank ausgeklügelter Algorithmen ist Rescop ausserdem in der Lage, Unstimmigkeiten zu finden und herauszumitteln. Die Rekonstruktion ist damit nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger als bisher. «Die neuen Programme könnten es uns erstmals ermöglichen, das komplizierte Nervennetzwerk des Gehirns zu entwirren – eine Aufgabe, noch wesentlich komplexer als die Entschlüsselung des menschlichen Genoms», sagt Denk. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler ein Stück der Grosshirnrinde rekonstruieren, denn dort finden alle wichtigen geistigen Prozesse statt. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Originalpublikation Moritz Helmstaedter, Kevin L. Briggman & Winfried Denk, «High-accuracy neurite reconstruction for high-throughput neuroanatomy», Nature Neuroscience 14, 1081–1088 (2011).

Kontakt Dr. Moritz Helmstädter Max-Planck-Institut für medizinische Forschung Jahnstrasse 29 D-69120 Heidelberg Telefon +49 (0)62 2148 6149 moritz.helmstaedter@mpimf-heidelberg.mpg.de www.mpimf-heidelberg.mpg.de

JAUDT Zellenradschleuse (ECT)

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Das Gummiband als Vorbild

Knotenkunde im Flüssigkristall Eine Möglichkeit alle erdenklichen Knoten in einem Flüssigkristall zu erzeugen, haben Wissenschaftler am MaxPlanck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen entdeckt. Zu diesem Zweck platzieren sie winzige Silikonkügelchen in einem Flüssigkristall. Um die Kügelchen herum bildet sich dabei ein Netz feiner Linien, auf denen die molekulare Struktur des Kristalls seine ursprüngliche Ordnung verliert. Die Forscher haben eine Möglichkeit gefunden, diese Linien so zu verdrillen und zu verknüpfen, dass sie jeden mathematisch denkbaren Knoten herstellen können..

Knoten sind allgegenwärtig: vom gewebten Stoff, über die zahlreichen Seemannsknoten bis hin zu ewig verhedderten Stromund Verlängerungskabeln und der kompliziert verknoteten DNA. Selbst Kinder lernen beim Anziehen der Schuhe schon früh, ihre ersten Knoten zu beherrschen – lange bevor sie lesen und schreiben können. Aus mathematischer Sicht lassen sich Knoten, die auf den ersten Blick völlig verschieden aussehen, ein und derselben Klasse zuordnen. Entscheidend ist, dass sich diese Knoten durch einfache Verformungen in einander überführen lassen. Einfachstes Beispiel ist ein Gummiband. Jede Form, zu der sich das Gummiband verknoten lässt, ohne es aufzuschneiden und wieder zusammenzufügen, ist aus mathematischer Sicht mit dem unverschlungenen Gummiband äquivalent. Einen völlig anderen Knoten hingegen stellt etwa der Dreiblattknoten dar. Dieser lässt sich nicht ohne Weiteres aus einem geschlossenen Gummiband erzeugen (Bild 2). Und natürlich lassen sich aus mehreren Schlaufen, die in einander verschlungen sind, noch deutlich komplexere Gebilde schaffen.

Bild: Miha Ravnik

Miha Ravnik

Bild 1: Anknüpfungspunkte für Knoten: Links: In einem einfachen nematischen Flüssigkristall umgibt die Defektlinie das Silikonkügelchen wie ein Rettungsring. Rechts: In einem sogenannten chiralen nematischen Flüssigkristall ist dieser Ring wie ein verbeulter Fahrradreifen verbogen. Aus mehreren dieser verdrillten Defektlinien lassen sich Knoten erzeugen.

tut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen forscht, nun ein System gefunden, in dem sich komplexe Knoten gezielt erzeugen lassen: mikroskopische Silikonkügelchen innerhalb einer kaum dickeren Flüssigkristallschicht, die von zwei Glasplatten begrenzt wird. Solche Flüssigkristalle bilden auch die Grundlage von LCD-Bildschirmen. «Die Glasplatten wurden zuvor so präpariert, dass sich die Moleküle des Flüssigkris-

Komplexe Knoten gezielt erzeugt Doch trotz dieser mathematischen Ordnung im Knoten-Wirrwarr bleibt die Frage, ob es zu jedem Knoten, der theoretisch denkbar ist, auch ein Gegenstück in mikroskopischen, natürlichen Systemen gibt. In seiner jüngsten Studie hat Uroš Tkalec vom Jožef Stefan Institut in Ljubljana (Slowenien), der seit September 2010 am Max-Planck-Insti22

Bild: MPI für Dynamik und Selbstorganisation

Bild 2: Eine einfache geschlossene Schlaufe lässt sich nicht in einen Dreiblattknoten überführen. Man müsste sie dazu erst aufschneiden und wieder zusammenfügen.

talls parallel zu ihnen ausrichten», erklärt Tkalec. Ein Silikonkügelchen, das in diese Schicht hineinkommt, stört die Ordnung empfindlich: Um die Kugel herum bildet sich ein ringförmiges Gebiet, in dem sich keine Vorzugsrichtung mehr erkennen lässt. Wissenschaftler bezeichnen solche linienförmigen Störungen als Defektlinien. Da der Defektring Licht anders reflektiert als seine Umgebung, lässt er sich leicht aufspüren. «Es sieht aus, als sei jedes Kügelchen von seinem eigenen Rettungsring umgeben», beschreibt Tkalec den Anblick. Dabei sind diese Rettungsringe senkrecht zu den begrenzenden Glasplatten orientiert. Bestückt man die Flüssigkristallschicht nun mit mehreren Kügelchen, lassen sich diese mithilfe eines Lasers wie mit einer Pinzette gezielt «zusammenschieben» und in Reihen anordnen. Dort, wo die Ringe aneinanderstossen, vereinigen sie sich dann zu komplizierteren Linien, welche die aufgereihten Kugeln umspielen. 9 / 2011

Bild: A A AS / Science

THE CHEMICAL DIVISION

VISIT US AT HALL 9, STAND 526 Nuremberg, Germany 11. - 13.10.2011 Bild 3: Zu jedem Knoten (links) lässt sich wie hier für die sogenannten borromäischen Ringe eine äquivalente Darstellung mithilfe der Silikonkügelchen finden (Mitte). Im Experiment ergibt sich dann das rechte Bild.

Zu jedem denkbaren Knoten gibt es ein Gitter aus Kügelchen «Doch in solchen Reihen von Kügelchen lassen sich noch keine Knoten erzeugen», so Tkalec. Dafür sei es nötig, dass die Defektringe benachbarter Kügelchen in zwei Richtungen aneinander stossen können. Um dies zu erreichen, griffen die Forscher zu einem Trick: Dreht man die obere Platte, welche die Flüssigkristallschicht begrenzt, um 90 Grad, verändert sich die Ausrichtung der Kristallmoleküle: Während die unteren Moleküle nach wie vor in dieselbe Richtung zeigen, sind die oberen ebenfalls um 90 Grad verdreht. Der Übergang ist fliessend. Wissenschaftler sprechen von einem chiralen nematischen Flüssigkristall. «In diesem Versuchsaufbau sind die Defektringe, welche die einzelnen Kügelchen umspielen, leicht verbeult, ähnlich wie ein verbeulter Fahrradreifen», so Tkalec. Dadurch können sich der Ring eines Kügelchens mit denen all seiner direkten Nachbarn kreuzen und vereinigen: Es wird möglich, Knoten zu erzeugen. Das Entscheidende: Die Forscher fanden einen Weg, die Bereiche zwischen den Kügelchen so zu manipulieren, dass sich die aneinander stossenden Ringe gezielt verschmelzen oder trennen lassen. In einem ersten Schritt erhitzen die Forscher dafür die Zwischenräume mit einem Laser. Dies zerstört die charakteristische Ausrichtung der Moleküle. Nach Abschalten des Lasers stellt sie sich zwar wieder her – aber oftmals anders als zuvor. So lassen sich etwa Ringe vereinigen, die vorher aneinander vorbeiliefen oder Ringe aufschneiden und neu zusammenfügen. Doch die Forscher bewiesen nicht nur Fingerfertigkeit im experimentellen Umgang 9 / 2011

mit Kügelchen und Lasern. Im theoretischen Teil ihrer Arbeit konnten sie zeigen, dass sich zu jedem denkbaren Knoten ein mathematisch äquivalenter Knoten finden lässt, der sich durch solch ein Gitter von Kügelchen darstellen lässt. «Auf diese Weise können wir gezielt, jeden Knoten, den man sich vorstellen kann, erzeugen», so Tkalec. Die Forscher hoffen, dass diese Erkenntnisse dazu beitragen werden, auch die komplizierte Knotengebung der DNA in Zukunft besser verstehen zu können. «Das Verknoten von DNA-Molekülen spielt eine wichtige Rolle für viele lebenswichtige Prozesse wie etwa Vervielfältigung oder Transkription der DNA», erklärt Tkalec. Zudem könnte die Methode das Anordnen rekonfigurierbarer optischer Schaltkreise in weicher Materie vorantreiben. Solche Schaltkreise könnten in zukünftigen fotonischen Anwendungen als Lichtleiter fungieren. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Originalpublikation Uroš Tkalec, Miha Ravnik, Simon Copar, Slobodan Žumer, Igor Muševi, «Reconfigurable Knots and Links in Chiral Nematic Colloids», Science 333 [6038], 62–65 (2011).

Kontakt Dr. Uroš Tkalec Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation Am Fassberg 17 D-37077 Göttingen Telefon +49 551 5176 216 uros.tkalec@ds.mpg.de www.ds.mpg.de

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Bild 1: In Nanodrähten aus Goldatomen können sich Elektronen nur in sehr engen Bahnen bewegen, sodass es zum Stau kommt. Veranschaulicht ist das hier durch den rot eingefärbten Draht. Rechts oben ist die Spitze eines Rastertunnelmikroskops dargestellt, mit dem Physiker die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte messen.

Elektrische Eigenschaften von Nanodrähten

Wo Elektronen im Stau stehen Die dünnsten Drähte der Welt, hergestellt aus purem Gold, werden von Physikern der Universitäten Würzburg und Kassel sowie am Paul-Scherrer-Institut in Villigen untersucht. Für Aufsehen sorgt jetzt ihre ungewöhnliche elektrische Leitfähigkeit: Die Elektronen bewegen sich nicht frei durch den Draht, sondern wie Autos im Stop-and-goVerkehr.

Robert Emmerich Im Normalfall wandern Elektronen, die Träger der elektrischen Ladung, kreuz und quer durch Metalle oder andere elektrisch leitende Materialien. Aber das ändert sich, wenn man die Leiter immer kleiner macht. Die Würzburger Physiker am Lehrstuhl von Ralph Claessen haben die Miniaturisierung auf die Spitze getrieben: Ihre Nanodrähte bestehen aus einzelnen Goldatomen, die kettenförmig angeordnet sind – kleiner geht es nicht. In Kooperation mit René Matzdorf an der Universität Kassel und Luc Patthey am Paul-Scherrer-Institut in Villigen wurden jetzt die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte untersucht. In den Nanodrähten sind die Elektronen so eingeengt, dass sie sich nur in eine Richtung bewegen können, nämlich entlang der Drähte. Und selbst dieses bisschen Freiheit 24

können sie nicht voll ausnutzen. Sie kommen nur im Stop-and-go-Verkehr voran – ähnlich wie im Stau auf der Autobahn, wenn den Fahrzeugen nur eine Spur zur Verfügung steht: Erst wenn ein Auto in der Schlange ein Stück fährt, kommen auch die anderen voran. «Genau so sind die Bewegungen der Elektronen in einem Nanodraht korreliert», sagt Matzdorf. «Dabei können sie nur ausgewählte Energien annehmen, was sich in der elektrischen Leitfähigkeit widerspiegelt und von uns im Experiment genau vermessen wurde.»

Rastertunnelmikroskopie und Fotoemission kombiniert Den Elektronenstau hat Claessens Team in Kooperation mit den Kollegen aus Kassel und dem Paul-Scherrer-Institut nun expe-

rimentell nachgewiesen. Den Wissenschaftlern gelang das mit hoch empfindlichen Messmethoden, der Rastertunnelmikroskopie und der Fotoemission. Damit konnten sie die ungewöhnlichen Zustände der Elektronen direkt abprüfen. «Wir haben in den Atomketten bisher nicht gekannte Möglichkeiten, die Eigenschaften einer eindimensionalen Quantenflüssigkeit auszumessen», sagt Claessen. Von einer Quantenflüssigkeit sprechen Physiker, wenn die Elektronen in solch engen Bahnen eingesperrt sind. Die Eigenschaften dieser «Flüssigkeit» haben Theoretiker schon in den 1960er-Jahren vorhergesagt. In Experimenten tatsächlich auch beobachtet wurden bislang aber nur wenige davon. Es hat Jahrzehnte gedauert, diese besonderen Elektronenzustände experimentell in atomaren Nanostrukturen zu erzeugen. «Das liegt vor allem daran, dass die bisher 9 / 2011

F O R S C H U N G S W E LT ĞƐƵĐŚĞŶ ^ŝĞ ƵŶƐĞƌĞ E h t ^/d ͗ ǁǁǁ͘ĚŝŵĂƚĞĐ͘ĚĞ hergestellten Nanodrähte zu nah beieinander lagen und sich gegenseitig beeinflusst haben, so dass keine Quantenflüssigkeit entstehen konnte», erklärt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer. Dieses Problem haben die Würzburger Physiker vor gut zwei Jahren behoben: In einem ausgeklügelten Verfahren dampfen sie Goldatome so auf Germanium-Plättchen auf, dass die Atome sich von ganz alleine zu geradlinigen, parallel verlaufenden Ketten anordnen, die weit genug voneinander entfernt sind.

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Wasser- und Feststoffanalytik für Labor- und Online-Anwendungen

Bild 2: Atomarer Baukasten: Aus einzelnen Goldatomen formen sich automatisch Nanodrähte (links), die sich dann gezielt mit Brücken verbinden oder absichtlich stören lassen – zum Beispiel durch den Einbau anderer Atomsorten oder das Entfernen einzelner Goldatome aus den Ketten.

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Bilder: Christian Blumenstein

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Nächste Schritte in der Forschung Die Nanodrähte wollen die Physiker jetzt als atomaren Baukasten nutzen. Sie denken zum Beispiel daran, zwischen den Drähten Kontakte aus einzelnen Atomen oder Molekülen einzubauen, was winzigen atomaren Schaltelementen entsprechen würde. So wollen sie auf dieser kleinstmöglichen Ebene weiteren elektronischen Phänomenen nachspüren. Ihre Erkenntnisse dürften für die rasch fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen, etwa für Computer, sehr wertvoll sein. Quelle: Universität Würzburg Originalpublikation C. Blumenstein et al., «Atomically controlled quantum chains hosting a Tomonaga-Luttinger liquid», Nature Physics, Published online 07 August 2011 doi: 10.1038/nphys2051 Kontakt Prof. Dr. Ralph Claessen Universität Würzburg Physikalisches Institut Am Hubland D-97074 Würzburg Telefon +49 (0)931 31 857 32 claessen@physik.uni-wuerzburg.de www.uni-wuerzburg.de 9 / 2011

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Chips ahmen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns nach

Tests mit neurosynaptischen Computerchips Forscher aus dem kalifornischen IBM Research Center in Almaden haben erstmals Prototypen einer neuartigen Klasse von Computerchips vorgestellt, die die Fähigkeiten des menschlichen Gehirns hinsichtlich Wahrnehmung, Kognition und Reaktion in Grundzügen nachahmen. Der als Basis für die Forschungsarbeiten dienende Ansatz lautet «Cognitive Computing» und könnte zukünftig die Herstellung von lernenden Computern ermöglichen, die zudem um ein Vielfaches effizienter und kleiner sind als heutige Systeme.

Beide Prozessorkerne wurden in 45-nmSOI-CMOS hergestellt und enthalten 256 Neuronen. Ein Testchip enthält 262 144 programmierbare Synapsen, der andere 65 36 lernende Synapsen. Das IBM-Team konnte damit bereits einfache Anwendungen wie Navigation, maschinelles Sehen, Mustererkennung, sowie assoziative Speicherung und Klassifizierung demonstrieren.

Abkehr von der sogenannten Von-Neumann-Architektur Systeme, die auf dieser neuartigen Technologie basieren, bilden eine Abkehr von der seit über einem halben Jahrhundert geltenden sogenannten Von-NeumannArchitektur, nach der die meisten heute verwendeten Computer aufgebaut sind. Zentrale Aussage der Architektur ist, dass ein Computer aus Rechen-, Steuer-, Eingabe- und Ausgabeeinheit sowie einem Arbeitsspeicher besteht und von definierten Programmen und Instruktionen abhängt, um Aufgaben durchzuführen, die Schritt für Schritt abgearbeitet werden. In der Architektur von kognitiven IT-Systemen verschmilzt die Grenze zwischen Hardund Software und ermöglicht darauf aufbauenden Computern durch Erfahrung zu lernen, Korrelationen zu finden und Hypothesen zu bilden. Auf diese Weise ahmen 26

Bild: IBM

Die von den Forschern vorgestellten neurosynaptischen Computerchips enthalten Siliciumschaltkreise und Algorithmen, deren Aufbau der Neurobiologie entnommen sind und ähnliche Abläufe ermöglichen wie sie zwischen Neuronen und Synapsen im Gehirn auftreten. Zwei erste Prototypen wurden bereits gefertigt und befinden sich derzeit in der Testphase.

Bild 1: Die IBM-Forscher Johne Arthur (links) und Paul Merolla demonstrieren das Erkennen von Handschriften durch einen neurosynaptischen Computerchip – er Interpretiert auf der linken Bildschirmseite, was Paul rechts aussen geschrieben hat als «2». Daneben wird angezeigt, mit welcher Sicherheit es sich um 2 (und nicht um 0 und ganz sicher nicht um 9) handelt.

sie die strukturelle und synaptische Plastizität des menschlichen Gehirns nach. Bei der Entwicklung der Chips, die Teil der mehrjährigen Forschungsinitiative SyNapse ist, wurden Erkenntnisse und Wissen aus der Nano- sowie Neurowissenschaft und dem Supercomputing eingebracht. IBM und eine Reihe US-amerikanischer Universitäten haben zudem für die zweite Phase des SyNapse-Projektes Unterstützung in Höhe von 21 Mio. Dollar von der amerikanischen Darpa-Behörde erhalten.

System mit 1010 Neuronen und 1014 Synapsen als Ziel Das Ziel von SyNapse ist es, ein Computersystem zu entwickeln, das nicht nur verschiedenartige sensorische Eingangsdaten gleichzeitig analysiert, sondern sich auch auf Basis seiner Interaktion mit der Umwelt dynamisch rekonfiguriert. Zudem geht es

darum, ein System mit dem geringen Energieverbrauch und Volumen des menschlichen Gehirns zu entwickeln. Längerfristig möchten die IBM-Forscher ein System mit 10 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen realisieren, das weniger als 1 Kilowatt Energie verbraucht und ein Volumen von weniger als 2 Litern aufweist. «SyNapse ist ein wichtiges Vorhaben, um den Weg für Computer jenseits der VonNeumann-Architektur zu ebnen», sagt Dharmendra Modha, Projektleiter bei IBM Research - Almaden. «Zukünftige Anwendungen der Informatik verlangen zunehmend nach Funktionalitäten, die mit der heutigen Architektur nicht mehr effizient genug umgesetzt werden können. Unsere Prototypen sind ein weiterer wichtiger Schritt in der Computerentwicklung. Sie läuten eine neue Generation von Computern und Anwendungen in Wirtschaft und Wissenschaft ein.» Quelle: IBM Research - Zürich 9 / 2011

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Gekoppelte Informationen über Struktur und Masse

Spektroskopie trickst Quantenphysik aus Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin haben eine neuartige spektroskopische Methode entwickelt, welche die gleichzeitige Messung mehrerer Moleküleigenschaften erlaubt. Sie tricksen damit die Gesetzmässigkeiten der Quantenphysik aus, die besagen, dass man ein System nicht beobachten kann, ohne es zu verändern.

Bild: MBI

oder nacheinander durchführen, jedoch nicht gleichzeitig. Die von Forschern des Max-Born-Instituts (MBI) entwickelte Correlated Rotational Alignment Spectroscopy, kurz Crasy, erlaubt es, verknüpfte («correlated») Eigenschaften von molekularer Struktur und atomarer Zusammensetzung über Rotations- und Massenspektroskopie gleichzeitig zu bestimmen.

Erst rotieren, dann ionisieren Bild 1: Die beiden Moleküle 32S = 12C= 33S und 32 S = 13C = 32S haben die gleiche Masse, aber eine unterschiedliche atomare Struktur. Mit Crasy lassen sich beide Grössen gleichzeitig bestimmen.

Verschiedene Materialeigenschaften gleichzeitig zu betrachten, ist im Alltag selbstverständlich: Bereits ein kleines Kind kann Bauklötze nach Farbe und Form gleichzeitig sortieren. In der Welt der Atome und Moleküle ist das nicht so einfach möglich, denn eine Gesetzmässigkeit der Quantenphysik besagt, dass man eine Eigenschaft nicht messen kann ohne sie zu verändern.

Correlated Rotational Alignment Spectroscopy Um Eigenschaften von Molekülen zu bestimmen, stehen Wissenschaftlern heute viele spektroskopische Methoden zur Verfügung. So lassen sich beispielsweise mit der Rotationsspektroskopie molekulare Strukturen voneinander unterscheiden, weil Moleküle mit charakteristischen Frequenzen rotieren. Die Analyse mit einem Massenspektrometer «wiegt» Moleküle und ihre Bruchstücke und gibt so Auskunft über ihre atomare Zusammensetzung. Solche Messungen konnten Forscher bislang nur einzeln 9 / 2011

Die Forscher bedienen sich dazu eines experimentellen Tricks: Sie regen die Moleküle zunächst mit einem ultrakurzen Laserimpuls zum Rotieren an. Zeitversetzt schicken sie einen zweiten Laserpuls hinterher, der aus dem Molekül ein Elektron herausschiesst, das Molekül also ionisiert. Die Drehung des Moleküls im Raum («rotational alignment») beeinflusst die Wahrscheinlichkeit, mit der es ionisiert wird. Dieses Experiment wiederholen die Forscher vielfach, wobei die Moleküle unterschiedlich viel Zeit zum Rotieren haben. Auf diese Weise wird die Rotationsbewegung der Moleküle auf die Anzahl erzeugter Ionen und Elektronen abgebildet. Die Masse der entstehenden Molekülionen wird mit einem Massenspektrometer bestimmt, die Rotationsfrequenz lässt sich dann aus der zeitabhängigen Anzahl ionisierter Moleküle berechnen. Die Forscher überlisten so die Grenzen der einzelnen spektroskopischen Methoden und erhalten gekoppelte Informationen über Struktur und Masse. «Mit Crasy bekommen wir viel mehr Informationen als mit herkömmlichen Methoden, denn wenn man zwei Moleküleigenschaften gleichzeitig misst, verdoppelt sich der Informationsgehalt nicht nur, sondern er steigt ins Quadrat», sagt Thomas Schultz vom MBI.

Dies erlaube die Untersuchung von komplexeren Systemen. Die Forscher haben mit ihrer Methode zunächst die Rotationskonstanten für zehn stabile Isotope einer natürlichen Kohlenstoffdisulfidprobe (CS2) ermittelt. Mit einem einzigen Experiment erfassten sie damit alle bekannten und drei bislang unbekannte Molekülkonstanten. «Im Unterschied zu herkömmlicher Rotationsspektroskopie brauchen wir dazu nur wenig Material und unsere Proben können auch verunreinigt sein», so Schultz weiter. In der Zukunft wollen die Forscher diese Technik einsetzen, um Reaktionen in komplexen Biomolekülen, wie etwa DNA-Basen, zu verstehen. Die experimentelle Technik kann auch mit anderen spektroskopischen Methoden verknüpft werden. Quelle: Forschungsverbund Berlin e. V. Originalpublikation Christian Schröter, Kyriaki Kosma, Thomas Schultz, «CRASY: Mass- or Electron-Correlated Rotational Alignment Spectroscopy», Science, Published Online 7 July 2011, doi: 10.1126/science.1204352

Kontakt Dr. Thomas Schultz Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Max-Born-Strasse 2A D-12489, Berlin-Adlershof Telefon +49 (0)30 6392 1240 schultz@mbi-berlin.de www.mbi-berlin.de 27

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Materialforschung in neuer Dimension

Der Unterschied zwischen dünn und sehr dünn Die Substanz Lanthannickeloxid hat völlig verschiedene elektronische und magnetische Eigenschaften, je nach dem, ob sie aus zwei oder mehr Schichten besteht. Dass sich die physikalischen Charakteristika auch auf diese Weise kontrollieren lassen, eröffnet neue Möglichkeiten, Stoffe zu identifizieren, aus denen die Computerchips der Zukunft gemacht sein könnten. Wesentliche Messungen sind am Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen in Zusammenarbeit mit der Universität Freiburg (CH) durchgeführt worden.

ten: Sie erzeugen ein magnetisches Moment – einfach gesagt, verhalten sie sich wie winzige Stabmagnete. Normalerweise ist davon allerdings nicht viel zu merken – die winzigen Stabmagnete weisen in verschiedene Richtungen und das ganze Material ist im alltäglichen Sinn unmagnetisch – leitet dafür aber gut Strom.

Eine Besonderheit der Metalloxide besteht darin, dass ihr elektronisches Verhalten stark von den Details ihres Aufbaus abhängt – was wiederum bedeutet, dass man versuchen kann, durch kleine Veränderungen Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Ein internationales Team um Alexander Boris und Bernhard Keimer am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart weist einen neuen Weg, um die Eigenschaften von Metalloxiden masszuschneidern. Die Forscher untersuchten das Metalloxid Lanthannickeloxid LaNiO3, das neben den elektronisch inaktiven Lanthanund Sauerstoffatomen auch Nickel enthält. Auf diese Zusammensetzung fiel die Wahl nicht zuletzt, weil Nickel Elektronen mitbringt, die sich auf eine spezielle Art verhal-

Da die Elektronen, die den Strom transportieren, jetzt nur noch innerhalb der Schichten fliessen können, aber nicht mehr senkrecht zu ihnen, ist das System jetzt praktisch zweidimensional. So haben die Forschenden erstmals genau herausgearbeitet, wie die räumliche Dimension eines Materials sein physikalisches Verhalten beeinflusst. «Wir drehen gezielt an einer Stellgrösse, die Physiker bislang nur ungenau kontrollieren konnten», sagt Bernhard Keimer, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. So war es bisher unklar, welche Auswirkung die Dimension unter all den anderen Faktoren hat, die beim elektronischen und magnetischen Verhalten mitmischen. Und der Effekt ist immens, wie die Forscher nun feststellten.

Bild: PSI/M. Fischer

Massgeschneiderte Elektronik

Erst wenn man eine ganz dünne Probe herstellt ändert sich das – eine Probe die so dünn ist, dass sie nur noch aus zwei Schichten des Materials besteht. Normalerweise sind es unzählige Schichten, die übereinander getürmt sind. Beim Abkühlen verliert das Material bei etwa minus 100 Grad Celsius seine elektrische Leitfähigkeit. Die dünne Schicht bringt die Elektronen nämlich in eine Zwangslage: Sie stossen sich gegenseitig ab, können sich aber nicht mehr gut aus dem Weg gehen. Daher bleiben sie jeweils an einem Atom mehr oder weniger stehen, und der Stromfluss versiegt.

Bild 1: Der PSI-Forscher Thomas Prokscha, Leiter der Gruppe Niederenergiemyonen am PSI, neben dem Detektor, mit dem die Positronen nachgewiesen werden, die beim Myonen-Zerfall entstehen.

Die Halbleitertechnologie – seit Jahrzehnten Grundlage der Elektronik – gerät allmählich an ihre Grenzen. Werden elektronische Bauteile weiterhin immer kleiner, dürften Leiterbahnen und Transistoren bald auf die Grösse einzelner Atome schrumpfen. Solch winzige Strukturen lassen sich mit den gängigen Methoden kaum noch kontrolliert herstellen; im Betrieb erzeugen sie wegen ihres elektrischen Widerstands so viel Hitze, dass sie rasch ihre Form verlieren. Die Ära der Halbleiter könnte daher in absehbarer Zeit an ein Ende gelangen. In Zukunft würden andere Verbindungen – die Metalloxide – ihre Rolle übernehmen. Denn unter diesen gibt es viele interessante Materialien, die sich wegen ihrer magnetischen Eigenschaften als Datenspeicher empfehlen und sogar solche, die Strom völlig ohne Widerstand leiten – die Supraleiter. 28

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Die veränderte Leitfähigkeit war aber nicht der einzige Effekt der Schlankheitskur für das Metalloxid. Als die Physiker die dünne Probe noch weiter abkühlten, etwa auf minus 220 Grad Celsius, nahm das Material eine magnetische Ordnung an – die Minimagnete an den Elektronen richteten sich antiparallel aus, etwa so wie Stabmagnete, die abwechselnd mit ihren Nord- und Südpolen nebeneinander liegen. Physiker sprechen von einer antiferromagnetischen Ordnung. In einer Probe mit vier Lagen verhält sich das Material wieder «normal». «Wir können die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Materials also gezielt verändern, indem wir zwei Lagen des Materials ergänzen», sagt Keimer. Die Dicke der Probe so exakt zu kontrollieren, stellte die Physiker bei ihrer Untersuchung vor die erste Herausforderung. «Bei den üblichen chemischen Verfahren, weiss man eigentlich nicht so genau, was letztlich herauskommt», sagt Boris. Daher griffen die Forscher zu einer physikalischen Methode: dem Laserstrahlverdampfen, Englisch Pulsed Laser Deposition (PLD). In einer Vakuumkammer verdampfen sie mit Laserpulsen das Lanthannickeloxid in sorgfältig dosierten Mengen. Das Metalloxid lagert sich auf einer nahezu perfekt ebenen und sauberen Oberfläche des Trägermaterials ab und bildet bei der richtigen Temperatur eine völlig geordnete, ebene Schicht der gewünschten Dicke.

Einblicke mit instabilen Elementarteilchen Damit hatten die Forscher die experimentellen Herausforderungen aber noch nicht gemeistert. Denn es ist auch nicht einfach, eine solche Probe zu untersuchen. So ist es ziemlich knifflig, eine antiferromagnetische Ordnung in einer Schicht von nur gerade zwei Lagen zu ermitteln. Die Wissenschaftler setzten auf Myonen, instabile Elementarteilchen, die mithilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Sie ähneln Elektronen und verhalten sich ebenso wie diese wie winzige Stabmagnete. Sie sind aber wesentlich schwerer und vor allem instabil. Bringt man ein Myon in ein Material, in dem es von magnetischen Teilchen umgeben ist, wird seine eigene Magnetrich9 / 2011

Bild: MPI für Festkörperforschung

Magnetische Ordnung

Bild 2: A: Situation bei nur zwei Schichten Lanthannickeloxid, B: Situation mit vier Schichten Lanthannickeloxid. Erste Spalte: Struktur – die Schichten sind jeweils von einem anderen Material umgeben. Zweite Spalte: A: Bei tiefer Temperatur sind die Elektronen an die Atome gebunden – es kann kein Strom fliessen; B:Die Elektronen sind auch bei tiefen Temperaturen beweglich. Dritte Spalte: A: Die magnetischen Momente sind antiferromagnetisch geordnet (zeigen abwechselnd in die eine oder andere Richtung); B: Die magnetischen Momente sind ungeordnet.

tung von dieser Umgebung beeinflusst. Als instabiles Teilchen zerfällt es nach einer gewissen Zeit, und aus der Flugrichtung der Zerfallsprodukte kann man bestimmen, in welche Richtung die Magnetrichtung des Myons zuletzt gezeigt hat. Die Myonenexperimente wurden von Forschern des Max-Planck-Institut für Festkörperforschung des Paul Scherrer Instituts PSI und der Forschungsgruppe um Christian Bernhard an der Universität Freiburg (CH) an den Myonenanlagen des PSI durchgeführt. Hier gibt es den zur Zeit stärksten Myonenstrahl für Festkörperuntersuchungen.

Experimente mit niederenergetischen Myonen «Am PSI haben wir die weltweit einzige Anlage für Experimente mit niederenergetischen Myonen, bei denen man regulieren kann, mit welcher Geschwindigkeit sie auf die Probe treffen. Damit kann man auch festlegen, wie tief im Material die Myonen steckenbleiben», erklärt Thomas Prokscha Leiter der Gruppe Niederenergiemyonen am PSI. Das ist nötig, wenn man in sehr dünne Schichten schauen will. Man muss sicherstellen, dass das Myon tatsächlich in dieser Schicht steckenbleibt. «Wir können die Myonen nicht so genau platzieren, dass sie in einem Material, das nur aus zwei Lagen besteht steckenbleiben. Die Myonen spüren den Magnetismus aber noch gut genug, wenn sie ein wenig daneben landen», fügt Prokscha hinzu. Auch die Messung der Leitfähigkeit hat ihre Tücken. Denn hier hilft es den Physikern

kaum, an zwei Seiten der Probe Kabel anzuschliessen und den Stromfluss zu messen. «So akkurat die dünnen Schichten auch gewachsen sein mögen, irgendwo wird es immer eine Unebenheit geben», erklärt Boris. Eine gewöhnliche Messung der Leitfähigkeit würde an einer solchen Unebenheit scheitern, weil diese den Stromfluss unterbricht. Stattdessen nutzten die Forscher einen intensiven infraroten Laserstrahl, den die Synchrotron-Strahlenquelle ANKA am Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) liefert. Wie sich die Eigenschaften dieses Strahls ändern, wenn er an der Probe reflektiert wird, verrät den Forschern etwas über die Beweglichkeit der Elektronen im Material und damit über die Leitfähigkeit. «Auf ähnliche Weise wollen wir nun untersuchen, wie die Dimension der Probe die elektronischen Eigenschaften von Metalloxiden beeinflusst, die unterhalb einer bestimmten Temperatur supraleitend werden», sagt Keimer. Möglicherweise können sie Metalloxiden auf diese Weise Eigenschaften geben, mit denen sich auch das zunehmende Platzproblem auf Mikrochips lösen lässt. Quelle: PSI Kontakt Prof. Christian Bernhard Universität Freiburg Physik Department Ch. du Musée 3 CH-1700 Fribourg Telefon +41 (0)26 300 90 70 christian.bernhard@unifr.ch www.unifr.ch/frimat 29

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Normale LED werden zu optischen WLAN

Daten unterwegs mit Licht

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Vier Personen haben es sich in einem Raum gemütlich gemacht. Jeder von ihnen kann auf einem eigenen Laptop einen anderen Film aus dem Internet in HD-Qualität geniessen. Möglich wird dies dank optischem WLAN. Als Medium für die Datenübertragung dient Licht aus den LED der Deckenbeleuchtung. Das war lange eine Zukunftsvision. Doch seit Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI in Berlin, im EU-Projekt Omega eine neue Übertragungstechnologie für Videodateien entwickelt haben, rückt ihre Realisierung in greifbare Nähe. Ende Mai konnten die Forscher das Projektergebnis in Rennes, Frankreich präsentieren: Es gelang, mit Decken-LED, die mehr als zehn Quadratmeter eines Raums ausleuchteten, Daten mit 100 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) verlustfrei zu übertragen. Der Empfänger lässt sich innerhalb dieser zehn Quadratmeter beliebig platzieren. »Das heisst, wir haben vier Videofilme in HD-Qualität gleichzeitig auf vier Laptops gebracht«, sagt Anagnostis Paraskevopoulos, Wissenschaftler am HHI.

Lichtquelle dient auch der Informationsübertragung «Die Grundlagen für Visible Light Communication – VLC – wurden im Projekt gemeinsam mit den Industriepartnern Siemens und France Telecom Orange Labs entwickelt», sagt der Experte. Zusammen mit einem Team um Projektleiter KlausDieter Langer wird die neue Technologie jetzt am HHI weiterentwickelt. «Bei VLC dienen die Lichtquellen – in diesem Fall Weisslicht-LED – gleichzeitig für die Raumbeleuchtung und für die Informationsübertragung. Mithilfe eines Spezialbauteils, des 30

Bild: Fraunhofer Gesellschaft

Lampen sind künftig nicht nur Beleuchtung, sondern übernehmen auch den Datentransfer. Sie bringen Filme in HD-Qualität verlustfrei, schnell und sicher auf iPhones oder Laptops. Mit nur wenigen Zusatzbauteilen können normale LED zum optischen WLAN werden. Möglich macht das Visible Light Communication, kurz VLC. Am Heinrich-Hertz-Institut HHI in Berlin wird daran gearbeitet.

Bild 1: Künftig werden Daten mit Decken-LED auf den Laptop übertragen.

Modulators, knipsen wir die LED ganz schnell ein und aus, und übertragen die Informationen als Einsen und Nullen. Das menschliche Auge nimmt die Lichtmodulation nicht wahr. Als Empfänger am Laptop reicht eine schlichte Fotodiode. Sie fängt das Licht auf, eine Elektronik dekodiert die Information und übersetzt sie in elektrische Impulse, also die Sprache des Computers», erläutert Langer. Ein Vorteil: Die LED lassen sich mit nur wenigen Bauteilen so präparieren, dass sie als Überträger dienen. Ein Nachteil: Sobald etwas zwischen Lampe und Fotodiode gerät, wenn also jemand eine Hand dazwischenhält, wird die Übertragung beeinträchtigt. Als mögliche Endgeräte kommen Laptops, Palms oder Handys in Frage.

Kein Ersatz für WLAN, PowerLAN oder UMTS VLC solle kein Ersatz für herkömmliches WLAN, PowerLAN oder UMTS werden, betonen die Wissenschaftler. Dort wo Funknetze unerwünscht oder nicht möglich sind, eignet es sich vielmehr als zusätzliche Datenübertragungsoption – ohne dass im Haus neue Kabel oder Geräte nötig werden. Dabei sind auch Kombinationen möglich, etwa für eine Richtung optisches WLAN und für den Rückkanal PowerLAN. So lassen sich Filme auf den PC übertragen und auch wieder von dort zurückspielen und auf einen anderen Rechner senden. Die neue Übertragungstechnologie eignet sich etwa für Krankenhäuser. Denn hier sind 9 / 2011

Funknetze nicht erwünscht. Dennoch müssten hohe Datenraten verlustfrei und unkomprimiert übertragen werden, meinen die Experten. Wenn ein Teil der Kommunikation über die OP-Lampe läuft, liessen sich drahtlos OP-Roboter steuern oder Röntgenbilder übermitteln. In Flugzeugen könnte jeder Passagier sein eigenes Unterhaltungsprogramm auf einem Display sehen, die Flugzeughersteller könnten gleichzeitig Kilometer an Kabeln sparen. Ein weiterer möglicher Einsatzort sind Fabrikhallen. Auch hier stören Funknetze oft die Abläufe. Derzeit entwickeln die Forscher ihre Systeme weiter in Richtung höherer Bitraten. «Im Labor konnten wir mit einer rot-blau-grünen Weisslicht-LED 800 Mbit/s übertragen», sagt Langer «Das ist Weltrekord für die VLC-Methode.»

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Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Kontakt Dr. rer. nat. Anagnostis Paraskevopoulos Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut Einsteinufer 37 D-10587 Berlin Telefon +49 (0)30 31002 527 paraskevopoulos@hhi.fraunhofer.de Leistungsbereiche SC 950: Förderleistung: > 50l/min Endvakuum: < 2.0 mbar abs.

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First class pumps for first class science

FIRMENREPORTAGE

Bild 1: Die Anlagen der Sandoz GmbH in Kundl im Tiroler Unterland verteilen sich auf ein 27 000 Quadratmeter gros ses Gelände.

Sandoz in Österreich

Von der Brauerei zur erfolgreichen Life Science-Firma Ein wichtiger Bestandteile einer Pressereise mit dem Schwerpunkt «Life Science im Tirol» war der Besuch der Novartis-Tochter Sandoz GmbH in Kundl. Jörg Windisch, Head Global Technical Development Sandoz Biopharmaceuticals, orientierte einerseits über den erfolgreichen Generikahersteller Sandoz und die Sandoz GmbH in Österreich, andererseits über das komplexe Thema der Biosimilars.

Kurt Hermann Nach dem zweiten Weltkrieg litten viele Menschen unter bakteriellen Infektionskrankheiten; man benötigte dringend Penicillin, das jedoch nur in viel zu geringen Mengen ver fügbar war. In einer stillgelegten Bierbrauerei in Kundl, die sich mit wenig Aufwand in eine Penicillinfabrik umwandeln liess, nahm 1946 die Biochemie GmbH ihre Tätigkeit auf. 1948 kamen die ersten Penicillin-Ampullen auf den Markt. Der Durchbruch des Unternehmens erfolgte mit der Entdeckung des säurestabilen Penicillins V im Jahr 1951. Dadurch konnte erstmals Penicillin in Tablettenform verabreicht werden. 32

In den 60 Jahren seit der Gründung hat sich das Unternehmen, das 1964 von der damals noch unabhängigen Sandoz AG übernommen worden war, zur klaren Nummer 2 am weltweiten Generikamarkt entwickelt. Sandoz, in der 2003/2004 die generischen Aktivitäten von Novartis zusammengefasst wurden, produziert rund 1000 Wirkstoffe, die in 130 Ländern vermarktet werden; in der Entwicklungspipeline sind weitere rund 800 Wirkstoffe. Bei den Biosimilars (siehe Kasten) ist Sandoz Pionier. Im vergangenen Jahr betrug der Umsatz von Sandoz 8,5 Milliarden USD, das Betriebsergebnis erreichte 1,3 Milliarden USD. Im weltweit verteilten Netz von mehr als

10 globalen Entwicklungs- und mehr als 30 Produktionsstandorten waren 23 500 Mitarbeiter beschäftigt.

Sandoz in Österreich Die österreichische Sandoz GmbH ist der letzte voll integrierte Produzent von Penicillin in der westlichen Welt und einer der grössten Hersteller von Antibiotika weltweit. Dabei sind Antibiotika heute wichtiger denn je: Nicht weniger als eine Milliarde Menschen werden jährlich mit den Wirkstoffen der Sandoz GmbH gegen bakterielle Infektionskrankheiten behandelt. Den Erfolg im Antibiotikabereich begründet Windisch auch damit, dass «in der For9 / 2011

schung und Entwicklung mehr oder weniger seit 60 Jahren an der Optimierung der Prozesse gearbeitet wird. Das heisst, wir können aus einem Milliliter Bioreaktorraum einfach wesentlich mehr Penicillin oder Cephalosporin herausholen als dies die Konkurrenz kann. Dadurch können wir auch im internationalen Wettbewerb bestehen.» Windisch umschreibt im Übrigen die Firmenphilosophie von Sandoz folgendermassen: «Was uns auszeichnet, ist erstens die enorme Breite, was unser Portfolio angeht, und zweitens unser sehr starker Fokus auf das, was schwer zu entwickeln und schwer herzustellen ist. Wir konzentrieren uns nicht auf orale Formen, sondern auf inhalierbare Produkte, transdermale Systeme, Injektabilia, und – an der Spitze der Komplexität – auf Biosimilars. Mit unseren Produkten erreichen wir ungefähr 90 Prozent der Weltbevölkerung.» Die Sandoz GmbH in Kundl ist der grösste Entwicklungs- und Produktionsstandort von Sandoz weltweit. Hier werden neben den bereits erwähnten Antibiotika rekombinante Proteine, Enzyme und Hormone entwickelt und produziert. Rund 430 Mitarbeiter sind in der Business Unit Biopharmaceuticals in Kundl tätig, wo auch das Zentrum für mikrobielle Wirkstoffentwicklung und

Biosimilars Der Fachbegriff «Biosimilar» bezeichnet einen biotechnologisch erzeugten, proteinbasierten Nachahmer-Arzneistoff, der nach Ablauf der Patentzeit eines Originalwirkstoffs zugelassen wird. Die Wirkstoffe dieser neuartigen Biotechnologie-Erzeugnisse sind, anders als die klassischen, Molekülstruktur-definierten Arzneistoffe, nicht völlig identisch zum Originalwirkstoff und erfordern deshalb aufwendigere Zulassungsverfahren und Überwachungsmassnahmen als die klassischen Generika. Einigkeit herrscht bei drei Kriterien, die ein Biosimilar charakterisieren: • Vermarktung nach Patentablaufzeit des Originals • Verkauf zu einem deutlich reduzierten Preis im Vergleich zum Original • arzneilicher Bestandteil ist ein Wirkstoff, der in der Aminosäuresequenz identisch ist zum Original. Quelle: Wikipedia

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Bilder: Sandoz GmbH

FIRMENREPORTAGE

Bild 2: Mikrobielle Wirkstoffproduktion in Kundl.

Wirkstoffproduktion ist. Das Werk ist zudem Biosimilars-Kompetenzzentrum für Prozess-, Fertigprodukt- und Device-Entwicklung sowie für analytische Entwicklung, die Charakterisierung und Registrierung eingeschlossen. In der Business Unit Biopharmaceuticals in Schaftenau in der Nähe von Kufstein sind rund 140 Mitarbeiter tätig. Hier werden Enzyme, Hormone und rekombinante Proteine produziert. In Schaftenau sind das globale Zentrum für die Produktion mit Zellkulturen und die Antikörper-Verfahrensentwicklung angesiedelt. Zudem werden innovative Biopharmazeutika für den Mutterkonzern Novartis produziert. Mit der Übernahme der EBEWE Pharma in Unterach im Jahr 2009 erhielt Sandoz ein Kompetenzzentrum für injizierbare generische Onkologiemedikamente. Das kleine Unternehmen beschäftigt sich ausschliesslich mit Chemotherapeutika, die wegen ihrer Toxizität äusserst vorsichtig gehandhabt werden müssen.

30 Jahre Biopharmazeutika Die moderne Biotechnologie ist an den Universitäten oder neu gegründeten kleinen Biotechnologiefirmen entstanden. Diese haben, so Windisch, beispielsweise ein Gen gefunden und in ein Colibakterium eingebaut. Für die Herstellung des Produkts für die klinischen Untersuchungen fehlten dann die Erfahrung und die Kapazität. Das Unternehmen in Kundl mit dem grossen biotech-

nologischen Know-how wurde deshalb zum beliebten Partner von Biotechpionieren. 1980 wurde Interferon alfa als erstes rekombinantes Protein in Europa hergestellt. Von da an gings voran. Es wurde eine sehr grosse Anlage für die Produktion rekombinanter Proteine gebaut, die lange Zeit die grösste dieser Art weltweit war. Heute stehen in Österreich insgesamt acht «State-ofthe-art»-Produktionsanlagen für Biopharmazeutika. Ein weiterer Schritt war der Aufbau der Biosimilarproduktion in Kundl und Schaftenau. Sandoz ist das einzige Unternehmen in Europa, das die Zulassungen für drei Biosimilars besitzt: • Omnitrope (Somatropin), ein rekombinantes menschliches Wachstumshormon • Zarzio (Filgrastim), eingesetzt zur Stimulation der Produktion weisser Blutkörperchen • Binocrit (Epoetin alfa) für die intravenösen Behandlung der renalen Anämie. Omnitrope und Zarzio werden im Tirol hergestellt. Für den Mutterkonzern Novartis werden viele technische Entwicklungen und Produktionen durchgeführt. Ein grosse Geschäft ist auch die Entwicklung und Herstellung von Wirkstoffen für namhafte Drittfirmen. Auf Biosimilars im Allgemeinen und aus der Sicht der Sandoz GmbH wird in einem voraussichtlich im Oktoberheft erscheinenden Artikel eingegangen. 33

FIRMEN BERICHTEN

Spindeldichtsysteme

Erfolgreich im Kampf gegen Korrosion in Ventilen Ein Schrecken für jede Industrieanlage – korrodierte Ventile in den Rohrleitungen! Doch woher kommen diese Korrosionserscheinungen und wie lassen sie sich verhindern? Garlock hat langjährige Erfahrung im Bereich korrosionshemmender Dichtsysteme.

Die Geschwindigkeit der Korrosionswirkung ist umso schneller, je grösser der Abstand zwischen dem Metall und dem Grafit in der elektrochemischen Spannungsreihe ist. Bestehen beispielsweise Körper und Schaft des Ventils aus austenitischen Edelstählen (zum Beispiel Serie 300, 630), findet kaum ein sichtbarer Angriff statt. Im Gegensatz hierzu sind die martensitischen Edelstähle (zum Beispiel Serie 400) äusserst anfällig für galvanische Angriffe.

Wie lassen sich Angriffe verhindern? Die Temperatur eines Heissdampfventils verhindert erhebliche Ansammlungen von flüssigem Medium an der Dichtstelle, jedoch sind hydrostatisch getestete Ventile, die danach im nassen Zustand gelagert werden, äusserst anfällig für Korrosion. Ebenso betroffen sind Dampfbetriebsventile, die Stillstandzeiten bei gleichzeitiger Kälteexposition durchlaufen, oder auch Ventile unter freiem Himmel, bei denen sich Regenwasser an den Dichtstellen ansammeln kann. Ventile, die ständig Wasser ausgesetzt sind, sollten, wenn möglich, mit PTFE-basierenden Dichtsystemen ausgestattet werden. 34

oder in denen besonders staubfrei und sauber gearbeitet werden muss. Garlock hat langjährige Erfahrung im Bereich korrosionshemmender Dichtsysteme und sorgt bei internationalen Unternehmen für bleibende Anlagensicherheit und Vermeidung von ungeplanten Stillständen.

Zur Erst- und zur Nachrüstung Bild: Garolck

Normalerweise treten zwischen den Metallteilen und den Dichtsystemen aus Grafit keine Wechselwirkungen auf. Wenn jedoch beide gemeinsam einem flüssigen Medium ausgesetzt sind, das dazu noch elektrisch leitfähig ist, kommt es zu einer galvanischen Korrosion. Bei dieser elektrochemischen Reaktion wandern die Elektronen wie in einer Batterie von der Anode zur Kathode, also vom Metall zum Grafitmaterial. Hierbei kommt es zu einem Werkstoffabtrag auf den Metallen – sie korrodieren.

Bild 1: 9000 EVSP QuickSet-M – zur Erstausrüstung und Nachrüstung.

Lässt sich die Ansammlung flüssigen Mediums nicht verhindern, muss die galvanische Reaktion gestoppt werden. Aktive und passive Korrosionshemmer erreichen das Ziel auf unterschiedliche Weise. Ein bewährter aktiver Hemmer ist Zink, der in Form von Pulver gleichmässig auf das Dichtsystem aufgetragen oder als Zinkunterlegscheiben zum Einsatz kommt. Zink wirkt als eine Opferanode und schützt so die umliegenden Metallteile vor Korrosion. Weniger bekannt sind passive Hemmer, die entweder auf Phosphor oder auf Bariummolybdat basieren. Die Hemmer bilden eine Schutzschicht auf dem grafithaltigen Dichtsystem und verhindern, dass es überhaupt zu einem Spannungsgefälle zwischen den Bauteilen und damit zur Korrosion kommt. Ein passiver Hemmer lässt sich jedoch nicht einfach aufstäuben, sondern muss bereits im geförderten Grafiterz vorhanden sein, in dem er dann durch hohe Temperaturen aktiviert wird. Ein Einsatz dieser Hemmer ergibt sich in Anlagen, in denen Zink nicht mit dem Betriebsmedium kompatibel ist

Garlock 9000 EVSP QuickSet-M ist ein Armaturendichtsystem, das für Korrosionsfreie Armaturenanwendungen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie entwickelt wurde. Garlock patentiertes «cup-and-cone»- Design entspricht den IPPC Forderungen. Die volle Federfähigkeit des Dichtungssatzes ist über den vollen Lifetime-cycle gesichert. Eine spezielle und unterschiedliche Winkelauslegung von Adapter und Dichtring, erzeugen einen hohen Umlenkfaktor (Verhältnis Radial- zu Axialkraft). Dies ermöglicht eine feinfühlige Einstellung der notwendigen Dichtkraft über die Gleitebene. Die Tellerfeder-Geometrie der Dichtringe resultiert aus einem hohen Ausgleichverhalten des Packungssatzes. Aufwendige Zusatzsysteme sind überflüssig. Kostenintensiven Überarbeitungen sind nicht erforderlich: QuickSet 9001-M gleicht durch die niedrigen vorverdichteten Dichtringe auch grosse Fertigungstoleranzen aus.

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VERFAHRENSTECHNIK

Erfolgreicher Testlauf für neue Phosgenierungs-Technologie

Phosgen Bayer MaterialScience hat erfolgreich eine innovative Technologie zur Gasphasenphosgenierung in einer neuen Anlage am integrierten Produktionsstandort Caojing in Shanghai, China, getestet. Die neue Technologie dient der Herstellung von Toluylen-Diisocyanat (TDI), einem Rohstoff zur Herstellung von Polyurethan-Schäumen. Bei der Produktionsanlage, die schrittweise in Betrieb genommen werden soll, lässt sich durch die neue Prozesstechnologie der Lösungsmittelverbrauch um rund 80 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Anla-

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gen gleicher Grösse reduzieren. Die Technologie wurde in Zusammenarbeit mit Bayer Technology Services implementiert. Hinzu kommt eine Absenkung des Energieverbrauchs um bis zu 60 Prozent. Ferner ermöglicht der Einsatz dieser Technologie auch eine deutliche Reduzierung der Betriebskosten sowie eine Verminderung der Kohlendioxid-Emissionen um rund 60 000 Tonnen pro Jahr. Letztendlich ermöglicht die neue Technologie auch eine Verringerung der Investitionskosten für Grossanlagen dieser Art um rund 20 Prozent. Die World-Scale-TDI-Anlage wird voraussichtlich noch in diesem Jahr stufenweise in Betrieb genommen. Im kommenden Jahr soll die Anlage dann mit voller Kapazität von 250 000 Tonnen TDI pro Jahr laufen. Damit wird die globale TDI-Gesamtkapazität von Bayer MaterialScience bei mehr als 700 000 Tonnen pro Jahr liegen. «Die Tatsache, dass wir unsere Gasphasenphosgenierungs-Technologie erstmalig in

TDI einer Produktionsanlage dieser Grösse erproben konnten, zeigt deutlich, dass Bayer MaterialScience führend ist in der Entwicklung moderner Technologien, die zugleich auch umweltschonend sind», so Patrick Thomas, Vorstandsvorsitzender von Bayer MaterialScience. TDI ist ein wichtiger Rohstoff zur Herstellung von Polyurethan-Weichschaum, der in Produkten wie Polstermöbeln und Autositzen zum Einsatz kommt. Quelle: Bayer Material Science

Bild: Voigt et al.

A N A LY T I K

Bild 1: Ausschnitt aus einer Mikrotiterplatte eines ELISA-Tests.

Statistisches Verfahren zur Analyse von ELISA

Immunologische Tests werden noch verlässlicher Ein Problem bei der Auswertung von ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assays) ist nicht nur die Schätzung der Konzentration, sondern auch die Angabe der dazugehörigen Messunsicherheit. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin ist ein statistisches Verfahren entwickelt worden, das die Auswertung deutlich zuverlässiger macht. Entwickelt am Beispiel eines Tests auf Interferon, lässt es sich generell für Konzentrationsbestimmungen durch ELISA anwenden.

Immunassays sind biochemische Tests, die die hohe Spezifität von Antikörper-AntigenBindungen ausnutzen und damit zur Bestimmung kleinster Stoffkonzentrationen in komplexen Medien eingesetzt werden können. Diese Tests werden vielseitig angewendet, beispielsweise für den Nachweis von Infektionen, Hormonen oder Drogen. Ein solcher Immunassay ist der sogenannte Sandwich-ELISA, ein enzymgekoppelter Immunadsorptionstest, der den Nachweis von Antigenen durch deren Bindung an zwei Antikörper ermöglicht. Dabei wird ein Antikörper an ein Enzym gekoppelt, um ein nachweisbares Signal (wie zum Beispiel Fluoreszenz) zu erzeugen. Bei fluoreszenzbasierten Sandwich-ELISA wird die Konzentration einer Lösung aus einer Reihe von Fluoreszenzmessungen geschätzt, die durch chemische Behandlung der mehrfach verdünnten Originallösung generiert werden. Um die Beziehung zwischen Konzentration und Fluoreszenzmessung besser bestimmen zu können, wird für jedes ELISA eine Kalibration durchgeführt, das heisst, dieselben Protokollschritte werden zusätzlich mit einer Lösung bekannter Interferonkonzentration durchgeführt. Diese Beziehung zwischen Konzentration und Fluoreszenzintensität kann mithilfe eines statistischen Modells beschrieben werden (durch ein nichtlineares Modell mit variablem Gaussschen Fehlerterm). Die 36

Abschätzung dieses Modells, also die Kalibrierung, und dessen Anwendung für die Bestimmung der unbekannten Konzentration ist statistisch eine anspruchsvolle Aufgabe, wie eine aktuelle internationale Vergleichsstudie verdeutlicht. In dieser Studie bestimmten einige Labors durchschnittliche Konzentrationen, die doppelt so hoch waren wie die anderer Labors. Die angegebenen Messunsicherheiten dieser Konzentrationsschätzungen decken diese gravierenden Unterschiede bei Weitem nicht ab. In der PTB wurde ein neues statistisches Verfahren zur Analyse von ELISA entwickelt. Dieses Verfahren nutzt den Bayesschen Ansatz und kombiniert somit in kohärenter Weise die Kalibration des Modells und die Bestimmung der unbekannten Stoffkonzentration. Dies führt zu vertrauenswürdigen Unsicherheitsintervallen für Schätzwerte. Darüber hinaus ermöglicht der Bayessche Ansatz die Berücksichtigung von Vorwissen (durch Formalisierung als Wahrscheinlichkeitsverteilung) und die unabhängige Analyse jedes einzelnen Datensatzes. Das entwickelte statistische Verfahren ist allgemein anwendbar zur Konzentrationsschätzung durch ELISA. Als Fallstudie wurden die Messdaten der oben erwähnten internationalen Vergleichsstudie erneut ausgewertet. Im Ergebnis wurden korrigierte Konzentrationswerte und realistischere Messunsicherheiten erzielt,

und im Gegensatz zur ursprünglich vorgeschlagenen Datenanalyse konnte eine weitgehende Konsistenz der experimentellen Methoden verifiziert werden. Mit dem neuen statistischen Auswerteverfahren ist es möglich, die Messdaten von fluoreszenzbasierten ELISA zuverlässig zu evaluieren und damit auch die Konzentration von Interferon IFN alpha-2b verlässlich zu bestimmen. Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Originalpublikation Katy Klauenberg, Bernd Ebert, Jan Voigt, Monika Walzel, James E. Noble, Alex E. Knight, Clemens Elster, «Bayesian analysis of an international ELISA comparability study», Clinical Chemistry and Laboratory Medicine, published online: 05/07/2011.

Kontakt Dr. Katy Klauenberg Physikalisch-Technische Bundesanstalt Abbestrasse 2–12 D-10587 Berlin Telefon +49 (0)30 3481 7614 katy.klauenberg@ptb.de www.ptb.de 9 / 2011

A N A LY T I K

Nachweis von Plastiksprengstoff

Nanosensor erkennt kleinste Mengen an PETN Der Nachweis der hochexplosiven Chemikalie Pentaerythrityltetranitrat (PETN) ist bislang technisch sehr aufwendig. Flughafenscanner und Sprengstoffhunde erkennen den Plastiksprengstoff kaum, da PETN minimal flüchtig ist und nur wenige Moleküle an die Umgebungsluft abgibt. Ein Nanosensor, den Materialwissenschaftler der TU Darmstadt entwickelt haben, könnte in Zukunft eine schnelle und zuverlässige Sprengstoffkontrolle ermöglichen.

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Bild: Kurt Hermann

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für Explosivstoffe charakteristischen Nitrogruppen des Moleküls an der Oberfläche der Röhren haften. Hierdurch kommt es zu einer Änderung der Leitfähigkeit, die mit elektronischen Messgeräten erfasst werden kann», erklärt Mario Böhme vom Fachbereich Material- und Geowissenschaft der TU Darmstadt das Funktionsprinzip des neuartigen Sprengstoffdetektors.

Bild: Mario Böhme

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Bild 1: Pentaerythrityltetranitrat (PETN).

Bisher konnte PETN nur sehr aufwendig durch einen Wischtest und ein Ionenmobilitätsspektrometer nachgewiesen werden. Zugleich ist PETN hochexplosiv. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde der Sprengstoff in jüngster Zeit häufig von Terroristen eingesetzt. PETN befand sich in den Paketbomben, mit denen Ende vergangenen Jahres Frachtflugzeuge zum Absturz gebracht werden sollten und wurde im Dezember 2009 auch vom sogenannten «Unterhosenbomber» genutzt. Materialwissenschaftlern der TU Darmstadt ist es in Zusammenarbeit mit der Hochschule RheinMain nun gelungen, einen Nanosensor zu entwickeln, der bereits ein einzelnes Sprengstoffmolekül unter 10 Milliarden Luftmolekülen erkennt. «Nähert sich ein PETN-Molekül den Nanoröhren, bleiben die

Sprengstoffkontrollen ohne zusätzlichen Zeitaufwand Um PETN mit dem neuen Sensor zu erkennen, muss lediglich die Raumluft über den Sensor geleitet werden. «Vorstellbar wäre, die herkömmlichen Metalldetektoren und Röntgengeräte an den Flughafenkontrollen mit dem Sensor und einer Vorrichtung zum Ansaugen von Luft nachzurüsten», so Böhme. Dadurch könnten alle Passagiere sowie ihr Gepäck diskret und ohne zusätzlichen Zeitaufwand kontrolliert werden. «Ebenso denkbar wäre ein tragbares Handgerät, das ähnlich wie ein Tischstaubsauger funktioniert und mit dem einzelne Personen kontrolliert werden können.» Da die Sensoren sehr klein und ausserdem kostengünstig herzustellen sind, kann Böhme sich auch vorstellen, dass der Sensor etwa bei grossen Sportveranstaltungen oder in anderen sicherheitsrelevanten Bereichen zum Einsatz kommt.

Bild 2: Im Sensor durchwandert die Raumluft eine Mäanderstruktur mit Nanoröhren. Kommen die Nanoröhren mit einem PETN-Molekül in Berührung, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der Röhren.

Böhme hat den Sensor im Rahmen seiner Dissertation entwickelt. Nachdem die Nanoröhren mittlerweile weltweit zum Patent angemeldet sind, suchen er und seine Forscherkollegen nun nach Kooperationspartnern aus der Industrie. Quelle: TU Darmstadt

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PHARMA

Erfolgreiche Tests in Tansania

Neuer Malariaimpfstoff für Kinder ist wirksam

Bild: Swiss TPH

Dem Schweizerischen Tropen- und Public Health-Institut (Swiss THP) in Basel , einem der wichtigen Organisationen auf dem Gebiet der Malaria-Impfstoffentwicklung, ist ein wichtiger Durchbruch im Kampf gegen die Malaria gelungen. Die Krankheit ist immer noch eine der dominierenden Todesursachen für Kinder in Afrika. Der neue Impfstoffkandidat hat bei Kindern in Tansania einen 50-Prozentschutz vor klinisch relevanten Malariaattacken vermittelt.

Bild 1: Malarialabor des Ifakara Health Instituts in Tansania.

Der getestete Impfstoff besteht aus zwei synthetischen Peptid-Komponenten (AMA1 und CSP-1), welche die native Struktur von wichtigen Antigenen widerspiegeln, die während der entscheidenden Phasen des Lebenszyklus von Plasmodium falciparum, dem Erreger der tropischen Malaria, gebildet werden. Virosomen (Liposomen mit eingebauten Virusproteinen) auf der Basis von Influenzaviren dienten als Antigenträger 38

und Wirkverstärker. Diese Technologie ist bereits bei Impfstoffen gegen Hepatitis A und Grippe in mehr als 40 Ländern zugelassen. Die Phase-Ib-Studie wurde am Bagamoyo Research & Training Centre in Tansania unter der Leitung von Blaise Genton und Marcel Tanner (Swiss TPH, assoziiertes Institut der Universität Basel) und Salim Abdulla,

Direktor des Ifakara Health Instituts (IHI) durchgeführt. Der von Gerd Pluschke (Swiss TPH) und John Robinson (Universität Zürich) in Zusammenarbeit mit der Pevion Biotech AG entwickelte Impfstoff wurde innerhalb eines Zeitraums von 12 Monaten an 50 gesunden, semi-immunen Freiwilligen (40 Kindern, 10 Erwachsenen) in einem MalariaEndemiegebiet getestet. 9 / 2011

PHARMA

Gute Verträglichkeit Jeder Proband erhielt zwei Injektionen, die sowohl von den Erwachsenen als auch von den 5-jährigen Kindern gut und problemlos toleriert wurden. Der Impfstoff induzierte bei den meisten Probanden starke Antikörperantworten gegen die beiden Antigene (AMA-1 und CSP-1). Zudem zeigte der Impfstoff Wirksamkeit bei der Verhinderung von klinischen Malariafällen bei Kindern: Bei jenen Probanden, welche mit dem neuen Impfstoff behandelt wurden traten nur halb so viele Malaria-Erkrankungen auf als bei der Kontrollgruppe, die einen Grippeimpfstoff erhalten hatte. Diese Ergebnisse sind vielversprechend. In der Tat ist dies der einzige Impfstoff, der bislang Wirksamkeit beim Schutz der Bevölkerung gegen Malaria gezeigt hat, wenn man von RTS,S absieht, einem weiteren Impfstoffkandidaten, der gegenwärtig im

9 / 2011

Rahmen einer Phase-III-Studie an mehreren Zentren in Afrika getestet wird. Ein 50-Prozentschutz gegen Malaria-Episoden bedeutet, dass die Gesamtbürde um die Hälfte reduziert werden könnte, sollten diese Ergebnisse im Rahmen einer grösseren Studie mit mehr Probanden bestätigt werden. Hoffnungsvoll ist auch, dass die Wirksamkeit eines Malariaimpfstoffs der ersten Generation rasch durch die Kombination von verschiedenen Antigenen oder Techniken verbessert werden kann.

Berechtigte Hoffnung auf wirksamen Impfstoff Nach dieser erfolgreichen Phase-Ib-Studie bereiten die am Projekt beteiligten Mitarbeiter sowie die Mymetics Corporation (diese übernahm im Jahr 2007 das MalariaProgramm von Pevion Biotech AG und hat zur Finanzierung dieser Phase-1b-Studie beigetragen) derzeit die nächste Phase der

Entwicklung des Mehrkomponenten-Impfstoffs mit weiteren Malaria-Antigenen vor, die der vorliegenden Formulierung hinzugefügt werden sollen. Die vorliegenden Ergebnisse geben zur berechtigten Hoffnung Anlass, dass in naher Zukunft ein neuer wirksamer Impfstoff im Kampf gegen die Malaria zur Verfügung stehen wird. Quelle: Swiss THP

Originalpublikation Patrick Georges Cech et al., «Virosome-Formulated Plasmodium falciparum AMA-1 & CSP Derived Peptides as Malaria Vaccine: Randomized Phase 1b Trial in Semi-Immune Adults & Children», PLoS ONE 6 [7] e22273 (2011).

Bild: Rainer Sturm/pixelio.de

ERNÄHRUNG

Bild 1: Kartoffeln tragen wesentlich zur gesunden Ernährung bei.

Wissenswertes zum Grundnahrungsmittel

Kartoffeln – die tollen Knollen Kartoffeln sind ein in der europäischen Küche sehr häufig verwendetes Grundnahrungsmittel. Dabei wird manchmal vielleicht übersehen, welchen wichtigen Beitrag diese Knolle zu gesunder Ernährung leistet. Zwischen den einzelnen Kartoffelgerichten bestehen beträchtliche Unterschiede im Nährwert, die von der Zubereitung abhängen und auch darüber entscheiden können, wie Kartoffeln als Lebensmittel vom Verbraucher wahrgenommen werden. Was die Kartoffel so einmalig macht, ist, dass sie die Eigenschaften stärkehaltiger Lebensmittel mit jenen von Gemüse in sich vereint.

Erstmals im 16. Jahrhundert aus Südamerika importiert, brauchte die Kartoffel noch weitere 150 Jahre, bis sie zu einem der wichtigsten Grundnahrungsmittel in Europa wurde. Heute zählen zwar die Länder Mittel- und Osteuropas zu den grössten Kartoffelkonsumenten, doch spielt die Kartoffel mit einem jährlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 94 kg (gültig für 2005) auf dem gesamten Kontinent eine wichtige Rolle in der Ernährung [1]. Nachstehend werden einige wichtige und interessante Fakten besprochen, die den Beitrag der beliebten Knolle zu einer gesunden, ausgewogenen Ernährung untermauern sollen [2]. ■ Gekochte Kartoffeln oder Ofenkartoffeln sind ein praktisch fettfreies Lebensmittel. Wichtigster Hauptnährstoff der Kartoffel sind Kohlenhydrate in Form von Stärke. Kohlenhydrate stellen die wichtigste Energiequelle für den Organismus dar und sollten mindestens die Hälfte der täglich zugeführten Kalorien ausmachen. Der Vorteil der Kohlenhydratversorgung durch Kartoffeln besteht darin, dass wir zusätzlich auch noch mit einer beträchtlichen Menge an 40

bestimmten Mikronährstoffen versorgt werden. Der Proteingehalt der Kartoffel ist eher gering: Eine mittelgrosse Portion (180 g) gekochter Kartoffeln enthält 3 g Protein (siehe Tabelle 1). Obwohl dies weniger als 10 Prozent des Tagesbedarfs eines Erwachsenen ausmacht, sind Kartoffeln ein guter Lieferant der Aminosäuren Lysin und Tryptophan und ergeben in Kombination mit Milch oder Eiern eine Mahlzeit, die reich an hochwertigem Eiweiss ist. ■ Kartoffeln sind zudem eine Ballaststoffquelle, die zum Sättigungsgefühl beiträgt und die Aufrechterhaltung einer gesunden Verdauung unterstützt. In einer 180-g-Portion gekochter Kartoffeln sind etwa 3 g Ballaststoffe enthalten, was mehr als 10 Prozent der empfohlenen Tagesmenge von 25 g entspricht [3]. Wird die Schale mit verzehrt, was manche Menschen wegen des kräftigeren Geschmacks schätzen, so ist der Ballaststoffgehalt noch höher. Zu beachten ist dabei allerdings, dass Kartoffelschalen nicht verzehrt werden sollten, wenn sie verfärbt oder fleckig sind. Grüne Flecken auf der Schale weisen auf einen

erhöhten Gehalt an Glykoalkaloiden wie Solanin hin; diese sind, in grösseren Mengen konsumiert, gesundheitsschädlich. Ein kleiner Anteil der in Kartoffeln enthaltenen Stärke widersteht den Verdauungsenzymen (die sogenannte resistente Stärke): Das trifft vor allem dann zu, wenn gekochte Kartoffeln kalt gegessen werden, wie etwa im Kartoffelsalat. Resistente Stärke wirkt im Körper ähnlich wie Ballaststoffe und kann zur Regulierung des Glukoseund Fettgehalts im Blut beitragen [4]. ■ Kartoffeln sind eine verlässliche Quelle für Vitamin C: Eine mittelgrosse gekochte Kartoffel (180 g) enthält etwa 10 mg, das heisst, etwa ein Achtel des Tagesbedarfs eines Erwachsenen. Frische Kartoffeln enthalten sogar doppelt so viel Vitamin C, sodass eine normale Portion den Tagesbedarf eines Erwachsenen bereits zu einem Viertel deckt. Natürlich enthalten auch viele Obstsorten und Fruchtsäfte Vitamin C, doch ist keines der anderen stärkehaltigen Lebensmittel so reich an diesem Vitamin wie die Kartoffel. Obwohl Vitamin C hitzeempfindlich ist und 9 / 2011

zu einem gewissen Grad beim Kochen zerstört wird, bleibt immer noch so viel erhalten, dass auch gekochte Kartoffeln noch eine wertvolle Quelle für diesen Mikronährstoff darstellen. Der Organismus benötigt Vitamin C zur Aufrechterhaltung der Gesundheit von Haut, Zähnen, Zahnfleisch, Muskeln und Knochen, sowie zur besseren Aufnahme von Eisen aus pflanzlicher Nahrung, das andernfalls für den Körper schlecht verfügbar ist. Vitamin C wirkt ausserdem als Antioxidans, wobei besonders die Sorten mit gelbem, orangefarbenem oder rötlichem Fleisch (vor allem Süsskartoffeln) weitere Antioxidanzien wie Karotine oder Flavonoide in beträchtlichen Mengen enthalten. ■ Von der grossen Gruppe der B-Vitamine sind einige ebenfalls in Kartoffeln enthalten. Eine mittlere Portion gekochter Kartoffeln liefert mehr als ein Sechstel des Tagesbedarfs eines Erwachsenen an Vitamin B1, B6 und Folsäure. Die Vitamine der B-Gruppe übernehmen im Organismus zahlreiche Funktionen. So sind sie zum Beispiel nicht nur unentbehrlich für den Kohlenhydratstoffwechsel und

die Bereitstellung von Energie, sondern sie sorgen auch für gesunde Haut und Nerven. Folsäure wird für das Wachstum und die Entwicklung von Zellen benötigt, weshalb eine ausreichende Versorgung mit diesem Vitamin insbesondere vor und während der Schwangerschaft von Bedeutung ist. Auch für die Produktion roter Blutkörperchen ist Folsäure unverzichtbar. ■ Kartoffeln sind ein wichtiger Kaliumlieferant und enthalten auch kleine Mengen an Magnesium und Eisen. Die Funktionen von Kalium im Körper sind zahlreich; so sorgt es unter anderem für die Funktion und Kontraktion von Muskeln sowie für die Übertragung von Nervenimpulsen und die Regulierung des Blutdrucks. Der Kaliumgehalt der Kartoffel gleicht pro Gewichtseinheit dem der meisten Obst- und Gemüsesorten. Da Kartoffeln in der Regel aber in grösseren Mengen konsumiert werden, stellen sie eine wichtige und verlässliche Quelle dieses Nährstoffs dar. Eine mittlere Portion gekochter Kartoffeln enthält etwa ein Zehntel des Tagesbedarfs eines Erwachsenen an Magnesium und Eisen.

Gekochte Kartoffeln, Gekochte Kartoffeln, mit Schale geschält

Bild: Paul-Georg Meister/pixelio.de

ERNÄHRUNG

Bild 2: Pommes-Frites – in der täglichen Ernährung nicht wegzudenken.

■ Kartoffeln enthalten von Natur aus kaum Natrium. Die Gesundheitsbehörden warnen vor einem zu starken Salzkonsum, da dieser mit einem erhöhten Risiko für Bluthochdruck (Hypertonie) in Verbindung gebracht wird. Andere stärkehaltige Lebensmittel weisen ebenfalls einen geringen Natriumgehalt auf, doch sind Kartoffeln deutlich reicher an Kalium als zum Beispiel Teigwaren. Die Kombination aus hohem Kalium- und niedrigem Natriumgehalt aber macht den besonderen gesundheitlichen Wert der Kartoffel für Menschen mit Hypertonierisiko aus. Bei der Zubereitung von Kartoffeln ist

Ofenkartoffeln mit Schale

Kartoffelbrei, mit Milch (7 g) und Butter (5 g)

Pommes frites, aus Imbisskette

Energiegehalt [kcal]

104

280

Protein [g]

1,4

1,8

2,6

1,8

3,3

Kohlenhydrate [g]

15,4

17,0

17,9

15,5

34,0

Fett [g]

0,3

0,1

4,3

15,5

Rohfaser [g]

1,5

1,2

3,1

1,1

2,1

Kalium [mg]

460

280

547

260

650

Eisen [mg]

1,6

0,4

0,9

0,4

1,0

Vitamin B1 [mg]

0,13

0,18

0,11

0,16

0,08

Vitamin B6 [mg]

0,33

0,23

0,30

0,36

Folsäure [µg]

Vitamin C [mg]

Tabelle 1: Typische Nährstoffangaben für verschiedene Kartoffelzubereitungen (pro 100 g).

9 / 2011

Quellen: [7], [8]

ERNÄHRUNG

Bild: Martin Sauter, Wikipedia

enthaltene Protein nicht. Für Personen, die sich glutenfrei ernähren und übliche Lebensmittel wie Brot, Teigwaren und die meisten Frühstückszerealien meiden müssen, sind Kartoffeln ein besonders wichtiges Nahrungsmittel. Kartoffeln sind frei von Gluten und können von dieser Personengruppe sowie von allen Menschen, die aus anderen Gründen keine Weizenprodukte essen, bedenkenlos verzehrt werden. Quelle: Eufic

Bild 3: Kartoffelblüte.

allerdings darauf zu achten, nicht zuviel salzhaltige Gewürze oder Saucen zu verwenden. ■ Für alle jene, die ihr Körpergewicht reduzieren wollen bzw. eine Gewichtszunahme vermeiden möchten, können Kartoffeln im Speiseplan sehr hilfreich sein. Eine mittlere Portion gekochter und geschälter Kartoffeln enthält etwa 140 Kilokalorien, deutlich weniger als der Energiegehalt einer gleichgrossen Portion gekochter Pasta (286 kcal) oder von gekochtem Reis (248 kcal). Dennoch sollten alle, die eine Schlankheitsdiät machen, Folgendes nicht vergessen: Der Energiegehalt von Kartoffeln, die frittiert wurden, kann zwei- bis dreimal so hoch sein wie der von gekochten Kartoffeln oder Ofenkartoffeln, sodass sich die erstgenannte Zubereitungsart nicht für Menschen eignet, die Gewicht verlieren möchten. ■ Und noch eine gute Nachricht für alle, die auf ihr Gewicht achten müssen: Kartoffeln weisen einen hohen Sättigungsindex auf. Aufgrund der niedrigen Energiedichte, das heisst, des Energiegehalts pro Gramm, von gekochten Kartoffeln oder Ofenkartoffeln kann man grosse Mengen zu sich nehmen, ohne dass sich dies in einer hohen Kalorienzahl ausdrücken würde (etwa 140 kcal für eine mittlere Portion). Das bedeutet, dass man sich richtig satt essen kann, ohne bei den Kalorien über die Stränge zu schlagen. In einer Studie, die sich mit dem Sättigungseffekt verschiedener Lebensmittel befasste, konnte gezeigt werden, dass Kartoffeln bei gleicher Kalorienzufuhr 42

wie mit Weissbrot eine dreimal so hohe Sättigung bewirkten [5] ■ Da Kartoffeln auf so vielfältige Art und Weise zubereitet werden können, ist der Nährwert eines Kartoffelgerichts äusserst variabel. Inwieweit Nährstoffe beim Zubereiten verloren gehen, hängt von der Kochtemperatur und der Kochzeit ab. Wasserlösliche Vitamine (B-Vitamine und Vitamin C) und Mineralstoffe wie Kalium gehen beim Kochen zum Teil in das Kochwasser über. Diese Nährstoffverluste lassen sich dadurch vermeiden, dass man die Kartoffeln mit der Schale kocht (auch wenn man sie später für den Verzehr schält). Während der Lagerung kommt es ebenfalls zu einem gewissen Nährstoffverlust. Allgemein wird empfohlen, Kartoffeln trocken, dunkel und kühl zu lagern. Von der Lagerung bei Temperaturen von 4 °C oder darunter ist jedoch abzuraten, da dies beim Braten zu vermehrter Bildung von Acrylamid führt [6]. Kartoffeln, die grüne Flecken zeigen oder zu sprossen beginnen, sollten sorgfältig geschält und zugeschnitten oder nicht mehr verzehrt werden. Obwohl der Fettgehalt von Kartoffeln extrem niedrig ist, können Kartoffelgerichte sehr kalorienhaltig werden, wenn bei der Zubereitung viel Fett verwendet wird. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn Kartoffeln in Friteusen zubereitet oder mit vollfetter Sahne und Käse zu Gratins verarbeitet werden. ■ Eine sehr kleine Anzahl Menschen leidet an Glutenunverträglichkeit, das heisst, sie vertragen dieses in Weizen und Roggen

Literatur [1] Food and Agriculture Organization. FAOSTAT database, Food Balance Sheets, http://faostat.fao.org/site/368/DesktopDefault.px?PageID =368#ancor, aufgerufen am 26. Januar 2010. [2] Food and Agriculture Organization (2008). International Year of the Potato 2008 – «Potatoes, nutrition and diet». www.potato2008.org/en/potato/ IYP-6en.pdf [3] European Food Safety Authority website, News section. www.efsa.europa.eu/ EFSA/efsa_locale-1178620753812_ 1211902778363.htm, aufgerufen am 27. Januar 2010. [4] Hollie A. Grabitske, Joanne L. Slavin, «Low-Digestible Carbohydrates in Practice», Journal of the American Dietetic Association 108 [10], 1677–1681 (2008). [5] Holt, S. H. et al., «A satiety index of common foods. European Journal of Clinical Nutrition 49 [9], 675–690 (1995). [6] Tineke De Wilde et al., «Influence of Storage Practices on Acrylamide Formation during Potato Frying», Journal of Agricultural and Food Chemistry 53 [16], 6550–6557 (2005). [7] Food Standards Agency, «McCance and Widdowsons’s The Composition of Foods», 6th summary edition, Cambridge, Royal Society of Chemistry (2002). [8] Die Zusammensetzung der Lebensmittel, 7., revidierte und ergänzte Auflage, Hg. Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart (2008). 9 / 2011

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WERKSTOFFE

Bild 1: Durch Lichteinstrahlung werden in Graphen Ladungsträger freigesetzt und Strom beginnt zu fliessen.

Lichtdetektoren aus Graphen

Neues Material für schnellere Elektronik Das neuartige Material Graphen verspricht schnellere optische und elektronische Bauteile zu ermöglichen. An der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität (TU) Wien konnten Lichtdetektoren aus Graphen erzeugt und erstmals genau analysiert werden. Es ist ein Material, in das die Wissenschaft grosse Hoffnung setzt: Graphen, eine wabenförmige Kohlenstoffstruktur aus nur einer einzigen Atomschicht, zeigt bemerkenswertes physikalisches Verhalten. 2010 wurde für seine Entdeckung der Physiknobelpreis vergeben. Am Institut für Photonik der TU Wien interessiert man sich besonders für die optischen und elektronischen Eigenschaften dieses Materials. Die TU-Wissenschaftler konnten nun zeigen, wie ausserordentlich rasch Graphen Lichtpulse in elektrische Signale umwandelt. Damit könnte der Datenaustausch zwischen Computern entscheidend verbessert werden. Wenn man Daten durch Lichtpulse überträgt, wie das etwa in einem Glasfaserkabel geschieht, dann müssen diese Pulse anschliessend in elektrische Signale verwan46

delt werden, die der Computer weiterverarbeiten kann.

Ungeheuer schnelle Umwandlung Diese Umwandlung von Licht in elektrischen Strom geschieht über den fotoelektrischen Effekt, den Albert Einstein erklärte. Trifft Licht auf bestimmte Materialien, können Elektronen plötzlich aus ihrem festen Platz gelöst werden und sich frei bewegen – elektrischer Strom beginnt zu fliessen. «Solche Lichtdetektoren, die mit elektrischen Signalen auf Lichtbestrahlung reagieren, gibt es schon lange. Wenn man sie allerdings aus Graphen herstellt, reagieren sie auf das Licht wesentlich schneller als andere Materialien das können», erklärt Alexander Urich, der gemeinsam mit Tho-

mas Müller und Karl Unterrainer an der TU Wien die elektrischen und optischen Eigenschaften von Graphen untersuchte. Dass Graphen in der Lage ist, Licht ungeheuer schnell in elektrische Signale umzuwandeln, konnte Müller schon im Vorjahr zeigen. Die genaue Reaktionszeit des Materials konnte zunächst aber noch nicht genau bestimmt werden – der Fotoeffekt in Graphen läuft schneller ab, als man mit herkömmlichen elektronischen Methoden messen konnte. Erst jetzt konnte mit aufwendigen technischen Tricks Genaueres über das Material ermittelt werden: Bei den Experimenten an der TU Wien werden kurz hintereinander zwei ultrakurze Laserpulse auf den Graphen-Fotodetektor abgefeuert, gemessen wird der Strom, der dabei entsteht. Variiert man den zeitlichen Abstand zwischen den 9 / 2011

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Bilder: TU Wien

Der wesentliche Grund für die hohen Frequenzen, die man mit den neuartigen LichtDetektoren erreichen kann, ist die kurze Lebensdauer der Ladungsträger in Graphen. Die Elektronen, die durch das Licht aus ihrem Platz gelöst werden und zum elektrischen Stromfluss beitragen, suchen sich schon nach wenigen Picosekunden (Millionstel einer Millionstelsekunde, 10 –12 Sekunden) einen neuen, festen Platz – und sobald das geschehen ist, kann auch schon das nächste Lichtsignal kommen, neue Fotoelektronen herauslösen und das nächste elektrisches Signal erzeugen. Die schnelle «Reaktionszeit» von Graphen ist ein weiterer Eintrag auf der Liste der bemerkenswerten Eigenschaften des Ma9 / 2011

Produkte

Quelle: Technische Universität Wien Originalpublikation Alexander Urich, Karl Unterrainer, and Thomas Mueller, «Intrinsic Response Time of Graphene Photodetectors», Nano Lett. 11 [7], 2804–2808 (2011).

Kontakt Technische Universität Wien Dipl. Phys. Alexander Urich Institut für Photonik Gusshausstrasse 25–29 A-1040 Wien Telefon +43 (0)1 58801 38785 alexander.urich@tuwien.ac.at

Kundendienst

Schnelles Signal – schnell wieder vorbei

terials. In Graphen können sich ausserdem elektrische Ladungsträger ausserordentlich weit bewegen, ohne gestört zu werden. Graphen kann Licht vom infraroten bis zum sichtbaren Bereich des Spektrums absorbieren – im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleitern, die nur auf einen schmalen Bereich des Spektrums beschränkt sind. Ausserdem kann Graphen Wärme extrem gut leiten und kann mit ungeheurer Kraft gespannt werden, ohne zu reissen.

Der Senkrechtstarter in der Prüftechnik

Konstantklima-Kammern Feuchtekammern Universalschränke Brutschränke Sterilisatoren Kühlbrutschränke Klimaprüfschränke Wasser- und Oelbäder

Bild 2: Alexander Urich und Thomas Müller mit einem Chip, der Graphen-Flakes enthält.

Lichtpulsen, so lässt sich feststellen, mit welcher maximalen Frequenz die Detektoren betrieben werden können. «Mithilfe dieser Methode konnten wir zeigen, dass die von uns hergestellten Detektoren bis zu einer Frequenz von 262 GHz verwendet werden können», sagt Müller. Damit läge die theoretisch erreichbare Obergrenze der Datenübertragung mit Graphen-Fotodetektoren bei mehr als 30 Gigabyte pro Sekunde. Inwieweit das technisch umsetzbar ist, wird sich erst zeigen, doch das Resultat verdeutlicht das grosse Potential von Graphen für besonders schnelle optoelektronische Bauteile.

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WERKSTOFFE

Neue Gummiwerkstoffe

Leitfähig oder hoch temperaturbeständig

Bild: IPF Dresden, U. Reuter

Bild: IPF Dresden, M. Auf der Landwehr

Bisher unerreichte Eigenschaften und damit neue Anwendungsgebiete für Gummiwerkstoffe – das versprechen Forschungsergebnisse aus dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF). In der Arbeitsgruppe von Amit Das und unter der Leitung von Gert Heinrich wurden im Rahmen laufender Promotionsarbeiten durch den Einsatz neuer Füllstoffe und Mischungstechnologien leitfähige bzw. hoch temperaturbeständige Gummiwerkstoffe entwickelt.

Bild 1: Leitfähig wie Metall: Elastomermatrix gefüllt mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (CNT-Gehalt: 10 phr, das heisst, 10 Prozent Masseanteil im Verbund); TEM-Aufnahme.

Kalaivani Subramaniam gelang erstmals die Herstellung eines Gummiwerkstoffs mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit, die sich der von Metallen sogar annähert. Hergestellt wurde er durch eine Mischungstechnologie, bei der unter Zuhilfenahme geeigneter niedermolekularer Verbindungen eine grosse Menge an leitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhren optimal in der Kautschukmatrix dispergiert werden konnte. Das auch mechanisch hervorragend stabile und belastbare Material bietet völlige neue Anwendungsmöglichkeiten. Vorstellbar sind zum Beispiel elektronische Schaltkreise auf hochflexiblem Trägermaterial. Mit der neuartigen Kombination von Eigenschaften und Funktionen würden sich diese besser als bisher verfügbare Bauelemente in komplexe Systeme integrieren lassen, unter anderem als flexible Roboterteile. Am konkreten Beispiel eines Fusses für einen humanoiden Roboter war im Rahmen einer am IPF betreuten Diplomarbeit kürzlich gezeigt worden, welche Funktionsoptimie48

Bild 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Halloysite-Nanoröhrchen, die als Füllstoffe die Temperaturbeständigkeit von Fluorkautschuken deutlich erhöhen.

rungen durch den Einsatz von Elastomeren im Verbund mit Faserverbundwerkstoffen möglich sind; eine zusätzliche Integration von elektrischer Leitfähigkeit in den Elastomerwerkstoff eröffnet nun weitere interessante Potenziale. Sandip Rooj stellte Elastomere mit einer bisher nicht erreichten Temperaturbeständigkeit her. Die für Elastomere bereits sehr gute Temperaturbeständigkeit von Fluorkautschuken wurde durch die Dispersion und gezielte Einbindung von HalloysiteNanoröhrchen – speziellen röhrchenartigen Füllstoffen aus der Mineralklasse der Aluminosilikate – in die Kautschukmatrix nochmals deutlich erhöht. Die thermische Zersetzungstemperatur wurde von 400 °C für konventionelle Fluorkautschuke auf 450 °C für die neuen Fluorelastomer-Komposite gesteigert. Ein wichtiger Effekt für Anwendungen ist, dass damit auch die Dauertemperaturbeständigkeit bei üblichen Einsatztemperaturen (im Motorraum von Fahrzeugen zum Beispiel bei meist 150 bis 200 °C)

verbessert wird – und mit ihr letztlich die Lebensdauer von thermisch beanspruchten Gummibauteilen. Die neuartigen robusten Elastomere, die zugleich ein gutes Flammwidrigkeitsverhalten aufweisen, bieten sich besonders für den Einsatz bei hohen Gebrauchstemperaturen und unter hohem Druck an, zum Beispiel für Hochleistungsdichtungen in Industrieanlagen oder auch extrem druckbeanspruchte Dichtungen in Motoren von Tiefseeförderanlagen. Quelle: IPF, Dresden

Kontakt Prof. Dr. Gert Heinrich Leibniz-Institut für Polymerforschung e. V. Hohe Strasse 6 D-01069 Dresden Telefon +49 (0)351 4658 361 gheinrich@ipfdd.de www.ipfdd.de 9 / 2011

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Kalkbildende Mikroalgen

Zeugen zunehmender Ozeanversauerung

Bild: Luc Beaufort, Cerege

Bild: Gerald Langer, Alfred-Wegener-Institut

Erstmals haben Forscher in globalem Massstab untersucht, wie Kalkalgen in ihrem natürlichen Lebensraum auf die zunehmende Versauerung durch erhöhten Eintrag von Kohlendioxid reagieren. Wenn der pH-Wert im Meer sinkt, bilden Algen der Gruppe Coccolithophoriden ein dünneres Kalkskelett aus. Im marinen Ökosystem sind die Veränderungen im Kalzifizierungsgrad sehr viel ausgeprägter als bislang aufgrund von Laborversuchen vermutet. Die Veränderungen wirken sich auf den globalen Kohlenstoffhaushalt aus, denn die untersuchten Mikroalgen beeinflussen den Kohlendioxidaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre.

Bild 1: Rastermikroskopische Aufnahmen der Kalkalge Emiliania huxleyi.

Etwa ein Drittel des anthropogenen Kohlendioxids wird von den Ozeanen aufgenommen und reagiert zu Kohlensäure und deren Reaktionsprodukten. Die zunehmende Verbrennung fossiler Energieträger hat im letzten Jahrhundert zu einer verstärkten Versauerung der Ozeane geführt und verändert dadurch die marinen Ökosysteme. Besonders empfindlich reagieren kalkbildende Organismen wie beispielsweise Korallen und Kalkalgen – so genannte Coccolithophoriden. Diese mikroskopisch kleinen Algen gehören zum Phytoplankton und bauen ein Skelett aus Kalkplättchen auf. Die Gruppe der Coccolithophoriden ist sehr verbreitet und produziert einen Grossteil des marinen Kalks – ein Prozess der über geologische Zeitskalen zu Kalkablagerungen 50

Bild 2: Morphotypen der Kalkalge Emiliania huxleyi mit unterschiedlichem Kalzifizierungsgrad. Vorne: stark kalzifizierte Organismen, der Kalzifizierungsgrad nimmt nach hinten ab.

wie den Kalkfelsen auf der Insel Rügen geführt hat.

Je saurer das Wasser, desto weniger Kalk Die Reaktionen von Kalkalgen auf Ozeanversauerung in ihrer natürlichen Umgebung sind bislang noch nie im globalen Massstab untersucht worden. Mithilfe einer von Luc Beaufort am französischen Forschungsinstitut Cerege entwickelten Methode konnten jetzt viele Plankton- und Sedimentproben analysiert werden, die Veränderungen in der Kalzifizierung der Coccolithophoriden im heutigen Ozean sowie über die letzten 40 000 Jahren dokumentieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Coccolithophoriden weniger Kalk bilden, wenn das Wasser

weniger Carbonationen enthält, also einen geringeren pH-Wert hat. «Die Reaktionen im natürlichen System sind hierbei viel stärker als bislang angenommen», berichtet Björn Rost vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft, der an der Studie beteiligt ist. Zwar haben auch schon Laborexperimente gezeigt, dass der Kalzifizierungsgrad bei zunehmender Versauerung abnimmt, die Algen also ein dünneres Skelett ausbilden. Im marinen Ökosystem kommt es zu einer Artenverschiebung von stark zu schwach kalzifizierten Arten und Stämmen. «Bereits kleine physiologische Unterschiede in ihren Reaktionen auf Umweltveränderungen können grosse ökologische Konse9 / 2011

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Es gibt auch Ausnahmen Allerdings zeigt die Studie auch, dass es Ausnahmen von diesem generellen Trend geben kann. In der Küstenzone Chiles, wo die «sauersten» Bedingungen in heutigen Ozeanen herrschen (pH-Werte von 7,6 bis 7,9 statt durchschnittlich 8,1), fanden die Wissenschaftler extrem stark kalzifizierte Coccolithophoriden. Die genetische Analy-

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se zeigte, dass es sich hierbei um einen verschiedenartigen Stamm der Coccolithophoridenart Emiliania huxleyi handelt. Diesem Stamm ist es offensichtlich gelungen, sich an Umweltbedingungen anzupassen, die für die Kalzifizierung ungünstig sind. In Hinblick auf die derzeitige hohe Geschwindigkeit des Klimawandels ist es jedoch äusserst fraglich, ob andere Vertreter der Coccolithophoriden fähig sind, sich diesem Tempo anzupassen. Quelle: Alfred-Wegener-Institut

Originalpublikation L. Beaufortet al., «Sensitivity of coccolithophores to carbonate chemistry and ocean acidification» Nature 476 [7358], 80–83 (2011).

Bild: Nasa

quenzen haben, wenn dies ihre Konkurrenzfähigkeit beeinflusst», erklärt Rost. Bei zunehmender Ozeanversauerung können also solche Arten verdrängt werden, die mehr Energie zum Aufbau ihres Kalkskeletts investieren müssen. Somit könnte die Gruppe der Coccolithophoriden zukünftig weniger Kohlenstoff aufnehmen – mit ungewissen Folgen für den globalen Kohlenstoffkreislauf.

Bild 3: Satellitenaufnahme einer Massenentwicklung von Kalkalgen, einer sogenannten Coc colithophoriden-Blüte, vor der Südwestküste Eng lands.

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Kopplung zweier bakterieller Prozesse

Stickstoffverluste vor der Küste von Oman Stickstoff, Bestandteil von Proteinen und DNA, ist ein essenzieller Nährstoff und häufig limitierender Faktor allen Lebens auf unserem Planeten. Im Meer regulieren mikrobielle Prozesse die Konzentrationen und Flüsse von biologisch verwertbaren Stickstoffverbindungen wie zum Beispiel Ammonium, Nitrat und Nitrit, die für die marinen Lebewesen verfügbar sein müssen. Die grösste Senke und damit der Entzug von Stickstoff aus dem marinen Nahrungsnetz, ist die Entweichung von Stickstoffgas in die Atmosphäre.

Bild: MPI für marine Mikrobiologie

des Ozeanvolumens ausmachten, weiter aus, so dass dort 30 bis 50 Prozent der weltweiten Stickstoffverluste stattfinden. Man kann daher davon ausgehen, dass sich die Stickstoffverluste weiter erhöhen.

Grosse Stickstoffverluste im Arabischen Meer

Bild 1: Das Arabische Meer ist ein Teil des Indischen Ozeans und grenzt an die Länder Indien, Pakistan, Oman und Somalia.

Das Untersuchungsgebiet der Forscher, das Arabische Meer, beheimatet eine der drei grössten Sauerstoff-Minimum-Zonen, und man schätzt, dass 10 bis 20 Prozent aller weltweiten Stickstoffverluste dort stattfinden. Bisher wurde angenommen, dass im Arabischen Meer die Denitrifikation (ein bak-

terieller Prozess) für den Stickstoffverlust verantwortlich ist, in dem Nitrat zu Nitrit, über Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid schliesslich zum Stickstoff reduziert wird. In früheren Studien von anderen Wissenschaftlern wurden sauerstoffarme Bedingungen und gleichzeitig hohe Nitritwerte als Hinweis auf Denitrifikation und somit Stickstoffverlust gewertet, doch dieser Annahme lagen nur wenige Messungen zugrunde. Um dieses Puzzle zu lösen, haben die Forscher vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie zusammen mit Forschern aus Kiel, Oldenburg, Hamburg, Aarhus, Nijmwegen und Princeton sich die einzelnen Reaktionsschritte des Stickstoffkreislaufs

Die treibenden Kräfte, welche dieses System im Gleichgewicht halten, sind jedoch komplizierter als gedacht. Jetzt haben Wissenschaftler vom Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie und ihre Kollegen sich die mikrobiellen Prozesse im Arabischen Meer genauer angeschaut und ihre Ergebnisse in zwei wissenschaftlichen Artikeln publiziert. Das Nahrungsgefüge im Meer speichert grosse Mengen von organisch gebundenem Kohlenstoff. Der Kohlenstoffkreislauf wiederum steht sowohl mit dem Gehalt an gelöstem Sauerstoff als auch mit dem Stickstoffkreislauf in Wechselwirkung. Die globale Erwärmung führt dazu, dass sich weniger Sauerstoff in den Weltmeeren löst. Zusätzlich erhöht der Eintrag von organischen Verbindungen mit den Abwässern der Zivilisation die Zehrung des Sauerstoffs. Infolgedessen dehnten sich in den letzten Jahrzehnten die Sauerstoff-Minimum-Zonen (SMZ), die früher weniger als 1 Prozent 52

Bild: modifiziert nach Lam et al., PNAS 106, 4752–4757 (2009).

Manfred Schlösser

Bild 2: Stickstoffverluste durch Kopplung zweier Reaktionswege. Im Arabischen Meer vor der Küste Omans liefert die dissimilatorische Nitritreduktion DNRA (blau) das Ammonium für die Anammox-Reaktion (gelb), so wird das N 2 gebildet, welches aus dem Meer entweichen kann. Nitratreduktion und Nitrifikation als Quellen von Nitrit und Ammonium finden ebenfalls statt. Auf der anderen Seite wurden nur wenige Indizien für aktive Denitrifikation gefunden (rot gestrichelter Reaktionsweg).

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vorgenommen und untersucht, indem sie das Schicksal einiger mit dem stabilen 15NIsotop markierten Verbindungen verfolgten. Zusätzlich identifizierten sie die für bestimmte Prozesse verantwortlichen Mikroorganismen und wiesen Genexpression von den dazugehörenden charakteristischen Genen nach.

Die Ergebnisse waren überraschend. Im zentral-nordöstlichen Bereich des Arabischen Meers, in dem man früher wegen des hohen Nitritwerts die höchsten Stickstoffverluste vermutete, wurden so gut wie keine Stickstoffverluste gefunden. Die Forscher identifizierten als Ursache für die hohe Nitritkonzentration eine langsam ablaufende Nitratreduktion und eine geringe Oxidation von Ammonium. Beide Reaktionen können unter geringen Sauerstoffkonzentrationen ablaufen und führen zur Bildung von Nitrit. Satellitendaten der letzten zehn Jahre zeigten, dass die Phytoplanktonproduktion im Untersuchungsgebiet im Mittel nicht besonders hoch war. Daher fehlten zur weiteren Reduktion des Nitrits schlicht die Mengen an organischem Material. Die geringe Wasserzirkulation tat ihr Übriges, dass Nitrit sich in diesem Bereich des Arabischen Meeres angereicherte.

Kopplung von Anammox mit DNRA Im Gegensatz dazu konnten die Forscher sehr hohe Stickstoffverluste vor der Küste Omans im nordwestlichen Teil des Arabischen Meeres nachweisen, der früher als unwichtig für die Stickstoffbilanz galt. Wie jetzt gezeigt werden konnte, laufen hier zwei verschiedene, miteinander gekoppelte Stickstoff-Reaktionswege ab, die Anammox-Reaktion (Anaerobe Oxidation von Ammonium) und die dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA). Mit detektivischer Akribie und dem Einsatz von 15N-markierten Verbindungen fanden die Forscher die Beweise, denn doppelt-15Nmarkiertes N2 wurde aus 15N-markiertem Nitrit durch eine Kombination von DNRA und Anammox produziert. Dabei liefert die DNRA das Ammonium für die AnammoxReaktion, die sowohl Nitrit als auch Ammo9 / 2011

Bild: MPI für marine Mikrobiologie

Unerwartete Ergebnisse

Bild 3: Die Markierung mit dem stabilen Stickstoffisotop 15N führte zur Bildung von doppelt markiertem Stickstoffgas ( 15N– 15N), das leicht im Massenspektrometer nachgewiesen werden konnte. Früher dachte man, dies sei ein Hinweis auf die Denitrifikation, jetzt weiss man dank kombinierten Einsatz von 15N-Markierungsexperimenten, stöchiometrischen Berechnungen und Genexpressionsstudien, dass die Kopplung von Anammox mit DNRA dahinter steckt. DNRA erzeugt 15N-Ammonium, dass in der Anammox-Reaktion mit 15N-Nitrit das doppelt markierte Stickstoffgas erzeugt.

nium für die Produktion von gasförmigen Stickstoff benötigt. Weitere Beweise lieferten Untersuchungen der Genexpression, welche die aktiv am Stickstoffumsatz beteiligten Gene der Mikroorganismen zeigten. Die Kopplung von Anammox mit DNRA, zusätzlich zu dem durch Anammox produzierten Stickstoffgas, erklärt die starken Stickstoffverluste. Marcel Kuypers, Max-Planck-Direktor fasst zusammen: «Diese Ergebnisse passen gut zu unseren früheren Befunden aus anderen SMZ-Gebieten wie dem Schwarzen Meer, den Auftriebsgebieten vor Peru, Chile und Namibia, in denen wir ebenfalls nachweisen konnten, dass Anammox für den Stickstoffverlust der wichtigste Prozess ist. Die hohen Nitritwerte im zentral-nordöstlichen Arabischen Meer sind wahrscheinlich die letzten Spuren von ehemals ablaufenden Prozessen, die jetzt ausklingen.» Phyllis Lam aus dem Max-Planck-Institut fügt hinzu: «Das Arabische Meer sollte weiterhin im wissenschaftlichen Fokus bleiben, denn hier finden wichtige Prozesse statt, die Einfluss auf die gesamte Stickstoffbilanz haben. Es ist unwahrscheinlich, dass die Aktivität der Prozesse unbeeinflusst vom Monsun im Jahresverlauf gleich bleibt und weiterhin wird sich der Stickstoffkreislauf auch mit steigenden Einträgen aus der At-

mosphäre und von Land durch zivilisatorische Aktivität verändern. Leider sind Forschungsfahrten wegen der vielen Piratenüberfälle in diesem Gebiet zurzeit unmöglich.» Quelle: MPI für marine Mikrobiologie

Originalpublikationen [1] P. Lam et al., «Origin and fate of the secondary nitrite maximum in the Arabian Sea», Biogeosciences 8, 1565–1577 (2011). [2] Marlene M. Jensen et al., «Intensive nitrogen loss over the Omani Shelf due to anammox coupled with dissimilatory nitrite reduction to ammonium», The ISME Journal 21 April 2011, 1–11, doi: 10.1038/ismej.2011.44 Kontakt Dr. Phyllis Lam Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie Celsiusstrasse 1 D-28359 Bremen Telefon +49 (0)421 2028 644 plam@mpi-bremen.de www.mpi-bremen.de 53

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Stickstoffdünger stärkt Selbstreinigungskraft von Atmosphäre

Stickstoff im Boden sorgt für saubere Luft Forscher der Abteilung Biogeochemie des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz haben festgestellt, dass Stickstoffdünger indirekt die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre stärkt. Ihrer Studie zufolge entsteht in gedüngtem Ackerboden salpetrige Säure, die in die Atmosphäre entweicht – und zwar desto mehr je saurer der Boden ist. In der Luft bewirkt die salpetrige Säure die Bildung von Hydroxylradikalen, die Schadstoffe oxidieren, sodass sie ausgewaschen werden.

weicht also auch ein Teil des Stickstoffs aus gedüngten Ackerböden in die Luft.

Hohe HONO-Werte in gedüngten Böden erklärt

Bild: Hang Su

In «Science» beschreiben die Mainzer Forscher, wie sie den bisher unbeachteten Pfad im Stickstoffkreislauf nachgewiesen haben. Sie massen die Konzentration an gasförmiger salpetriger Säure (HONO), die aus einem definierten Volumen Ackerboden entweicht.

Bild 1: Woher stammt die salpetrige Säure in der Atmosphäre? In dieser Reaktionskammer untersuchen die Mainzer Forscher den Austausch von Gasen zwischen Bodenproben und der Luft.

Unsere Luft reinigt sich teilweise selbst, indem Schadstoffe durch Hydroxylradikale oxidiert und durch Regen ausgewaschen werden. Forscher des Max-Planck-Instituts in Mainz und Kollegen aus Peking haben jetzt herausgefunden, woher ein Grossteil der salpetrigen Säure stammt, die neben Ozon als Quelle für Hydroxylradikale wirkt. Demnach wird die Säure in beachtlichen Mengen vom Erdboden an die Atmosphäre abgegeben. In stickstoffhaltigen Böden entsteht die Säure aus Nitritionen, die wiederum aus mikrobiologischen Umwandlungen von Ammonium- und Nitrationen stammen. Je saurer der Boden ist und je mehr Nitrit er enthält, umso mehr salpetrige Säure wird freigesetzt. Über diesen Weg ent54

Dazu setzen sie einer Bodenprobe Nitrit zu und veränderten anschliessend den Wassergehalt. Die dabei freigesetzte HONOMenge stimmt gut mit der Menge überein, die die Forscher in Berechnungen der Säure-Basen- und Löslichkeitsgleichgewichte abgeschätzt hatten. Damit konnten sie auch die hohen HONO-Werte erklären, die in früheren Untersuchungen über gedüngten landwirtschaftlichen Böden gemessen wurden. Lange war die Quelle der beobachteten grossen HONO-Konzentrationen in der bodennahen Atmosphäre ein Rätsel geblieben. «Böden sind sehr komplexe Systeme, in denen zahlreiche chemische Substanzen und Mikroorganismen miteinander wechselwirken», sagt Hang Su. «Den Austausch von salpetriger Säure zwischen Boden und Luft scheint bisher niemand untersucht zu haben.» Die Emission von salpetriger Säure aus dem Erdboden hat den Forschern zufolge nicht nur lokale, sondern auch globale Bedeutung für die Luftqualität und den Stickstoffkreis-

lauf. «In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Boden- und Klimaforschern wollen wir daher als nächstes den Effekt für verschiedene Bodentypen und Umgebungsbedingungen quantifizieren», sagt Forschungsgruppenleiter Ulrich Pöschl. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen dann in ein globales Modell einfliessen. Die Max-Planck-Forscher vermuten nämlich, dass die Freisetzung von HONO aus Ackerböden aufgrund vermehrten Einsatzes von Düngemitteln, zunehmender Bodenversauerung, und klimabedingter Temperaturerhöhungen besonders in Entwicklungsländern deutlich ansteigen könnte. Dadurch werden voraussichtlich mehr Hydroxylradikale entstehen, die die Oxidationskraft der Luft erhöhen. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Originalpublikation Hang Su et al., «Soil Nitrite as a Source of Atmospheric HONO and OH Radicals», Science, Published Online August 18 2011 doi: 10.1126/science.1207687 Kontakt Dr. Hang Su Max-Planck-Institut für Chemie Joh.-Joachim-Becher-Weg 27 D-55128 Mainz Telefon +49 (0)6131 305 426 h.su@mpic.de www.mpic.de 9 / 2011

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Bild: Jungfraubahnen

Bild 1: Die Forschungsstation Jungfraujoch auf 3580 Meter Höhe.

Treibhausgasmessungen der Empa am Jungfraujoch

Lückenhafte Emissionsmeldungen Fluorkohlenwasserstoffe sind potente Treibhausgase, deren Emissionen gemäss Kyoto-Protokoll gesenkt werden müssen. Verlässt man sich auf die Meldungen der teilnehmenden Länder, nimmt in Westeuropa etwa der Ausstoss an Trifluormethan (HFC-23) in den letzten Jahren deutlich ab. Schadstoffmessungen der Empa belegen aber, dass einige Länder zu geringe Emissionen angeben. So stösst beispielsweise Italien zehn- bis zwanzigmal mehr HFC-23 aus, als es offiziell ausweist.

Internationale Vereinbarungen wie das KyotoProtokoll zur Senkung der Treibhausgasemissionen haben meist einen Haken: Ob sich die teilnehmenden Länder daran halten, lässt sich kaum unabhängig überprüfen. So beruht die Beurteilung, ob die Länder ihre Reduktionsziele erreicht haben oder nicht, auf den offiziellen Meldungen der Länder an die UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change). Melden sie einen geringen Ausstoss, stehen sie gut da, andernfalls am Pranger. 56

Emissionsquelle regional identifiziert Das könnte sich bald ändern. Schadstoffanalysen der Empa mit einem speziellen Gaschromatograph-Massenspektrometer namens «Medusa» – unter anderem in der Forschungsstation Jungfraujoch auf 3580 Meter Höhe – erlauben nicht nur, die Emissionsmengen von mehr als 50 halogenierten Treibhausgasen schnell und genau abzuschätzen; sie ermöglichen es dank atmo-

sphärischer und meteorologischer Computermodelle auch, die Emissionsquellen re gional zu identifizieren. Das ernüchternde Ergebnis: Westeuropa emittiert rund doppelt so viel Trifluormethan (HFC-23) wie offiziell deklariert. «Unsere Ergebnisse zeigen, dass Messungen dieser Art tatsächlich geeignet sind, die Einhaltung internationaler Übereinkünfte zur Luftreinhaltung zu überprüfen», sagt Empa-Forscher Stefan Reimann von der 9 / 2011

Bilder 2/3: Empa

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Bild 2: HFC-23-Konzentrationen auf dem Jungfraujoch: Tatsächlich gemessene (grau) und aus den offiziellen Inventaren berechnete Werte (dunkelblau) weisen eine grosse Diskrepanz auf; die Empa-Modellierung (rot) bildet die Messwerte deutlich besser ab.

Abteilung Luftfremdstoffe/Umwelttechnik. Das Kyoto-Protokoll sähe zwar noch keine unabhängigen Kontrollmechanismen vor; in Folgevereinbarungen mit bindenden Emissionszielen könnten diese aber von zentraler Bedeutung sein.

«The ususal suspects»? Der Verdacht, dass es einige Länder mit der Meldung ihrer Treibhausgasemissionen nicht allzu genau nehmen, stand schon länger im Raum; Hochrechnungen aus Messwerten des weltweiten Agage-Netzwerks («Advanced Global Atmospheric Gases Experiment») ergaben deutlich höhere Werte als offiziell ausgewiesen. «Man ging davon aus, dass vor allem China und einige Entwicklungsländer ihre Emissionen nicht korrekt meldeten», so Reimann. Etwa den Ausstoss an HFC-23, mit einer atmosphärischen Halbwertszeit von rund 270 Jahren extrem langlebig – und erst noch knapp 15 000-mal klimaaktiver als Kohlendioxid. HFC-23 entsteht als Nebenprodukt bei der Herstellung von Chlordifluormethan (HCFC-22), das als Kühl- und Schäummittel und in der Teflonproduktion Verwendung findet. Der «Vorteil» von HFC23: Es wird praktisch nur von HCFC-22-Fabriken emittiert. Und davon gab es 2008 in Westeuropa gerade mal sechs Stück. Reimann: «Wir kennen also die Punktquellen ganz genau.» Um die HFC-23-Mengen in der Atmosphäre über Westeuropa möglichst genau abzuschätzen, analysierten Reimann und sein 9 / 2011

Bild 3: Das UNFCCC-Inventar unterschätzt die tatsächlichen HFC23-Emissionen teils massiv. Über Transportmodelle konnten die Messungen auf dem Jungfraujoch alle sechs Emissionsquellen punktgenau identifizieren.

Doktorand Christoph Keller von Juli 2008 bis Juli 2010 die HFC-23-Konzentrationen sowohl auf dem Jungfraujoch als auch in Mace Head, einer Agage-Messstation im Westen Irlands. Dabei fanden sie immer wieder rätselhafte Spitzen («Peaks»), die weit über der Durchschnittsbelastung lagen. Über atmosphärische Transportmodelle berechneten die Empa-Forscher, woher die belasteten Luftmassen kamen, die HFC-23 aufs Jungfraujoch verfrachteten – in erster Linie aus der einzigen HCFC-22-Fabrik Italiens westlich von Mailand.

Insgesamt dürften sich die nicht rapportierten Mengen an «italienischem» HFC-23 auf 270 000 bis 630 000 Tonnen CO2-Äquivalent belaufen – in etwa der jährliche CO2Ausstoss einer Stadt mit 75 000 Einwohnern. «Erfreulich ist dagegen, dass wir vom Jungfraujoch aus Emissionsquellen ‹sehen›, die mehrere hundert Kilometer entfernt sind», so Reimann. Um derartige Analysen global zu erheben, müsste allerdings das Netzwerk der Messstationen vor allem in Osteuropa und Ostasien ausgebaut werden. Quelle: Empa

Italien: seit 1996 fast keine HFC-23-Emissionen gemeldet So weit, so gut. Wären da nicht die offiziellen Zahlen aus Italien, die keine nennenswerten HFC-23-Emissionen ausweisen – und das bereits seit 1996. Ein Einzelfall? Reimann und sein Team wollten es genau wissen; sie ermittelten mit finanzieller Unterstützung des Bundesamts für Umwelt (Bafu) die HFC-23-Mengen für 2008 bis 2010 über ganz Westeuropa und lokalisierten die Quellregionen. Die Emissionen lagen rund doppelt so hoch wie die gemeldeten Werte – wobei sich die Länder in ihrer «Meldegenauigkeit» deutlich unterschieden. Neben «Spitzenreiter» Italien haben auch die Niederlande und Grossbritannien ihre HFC-23-Emissionen erheblich unterschätzt; Frankreich und Deutschland lagen dagegen im Rahmen ihrer Deklaration. Und: Alle sechs HCFC-22-Fabriken konnte das Computermodell «punktgenau» identifizieren.

Originalpublikation Christoph A. Keller, Dominik Brunner, Stephan Henne, Martin K. Vollmer, Simon O'Doherty, Stefan Reimann, «Evidence for under-reported western European emissions of the potent greenhouse gas HFC-23», Geophys. Res. Lett., 38, L15808 doi: 10.1029/2011GL047976

Kontakt Dr. Stefan Reimann Empa Luftfremdstoffe/Umwelttechnik Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 46 38 stefan.reimann@empa.ch www.empa.ch 57

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Adsorption von krebserregenden Stoffen

Nanotechnologie für Wasserfilter

Bilder: Universität Wien

In der Nanotechnologie sind in den letzten Jahren neue Werkstoffe mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten entstanden, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren. Es handelt sich dabei um zylindrische Werkstoffe aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern. Diese Nanoröhren besitzen aussergewöhnliche elektronische, mechanische und chemische Eigenschaften und können unter anderem zur Reinigung von kontaminiertem Wasser verwendet werden, wie Wissenschafter der Universität Wien gezeigt haben.

Bild 1: Kohlenstoffnanoröhren im Elektronenmikroskop.

Bild 2: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Kohlenstoffnanoröhre.

Viele wasserverunreinigende Stoffe haben eine hohe Affinität für Kohlenstoffnanoröhren. Deshalb können Schadstoffe aus kontaminiertem Wasser entfernt werden, indem sie durch dieses Material gefiltert werden, wie zum Beispiel wasserlösliche Medikamente, die mit Aktivkohle kaum von Wasser getrennt werden können.

Eigenschaften der Nanoröhren als schwierig; Standardmethoden liefern nur begrenzt Ergebnisse. So ist das Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren in der Umwelt noch weitgehend unerforscht.

Da Nanoröhren eine sehr grosse Oberfläche (rund 500 m2 pro Gramm) aufweisen und dadurch hohe Mengen an Schadstoffen fixieren, kommt es zu keiner schnellen Filtersättigung. «Wartungsarbeiten und Abfälle im Zusammenhang mit der Reinigung von kontaminierten Gewässern könnten so minimiert werden», zeigt sich Thilo Hofmann von der Universität Wien optimistisch.

«Innovative Technologien sind jedoch immer mit Vor- und Nachteilen für Mensch und Umwelt behaftet. Daher sind – bevor diese Filter zum Einsatz kommen – ein gutes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Kohlenstoffnanoröhren sowie das Wissen um ihr Verhalten unter natürlichen Bedingungen essenziell», erklärt Mélanie Kah, die zusammen mit Xiaoran Zhang das Forschungsprojekt bearbeitet. Das Team des Departments für Umweltgeowissenschaften der Universität Wien erforscht die Umweltverträglichkeit von Nanoröhren mit einer neu entwickelten Methode,

In den vergangenen zehn Jahren wurde bereits viel zum Thema Kohlenstoffnanoröhren geforscht; die Untersuchungen gestalten sich jedoch aufgrund der besonderen 58

Umweltverträglichkeit von Kohlenstoffnanoröhren

mit der auch niedrige Schadstoffkonzentrationen, wie sie in der Umwelt vorkommen, analysiert werden können. Mit den bisherigen, klassischen Verfahren konnte das Verhalten der Schadstoffe nur bei höheren Konzentrationen untersucht werden. Die Wissenschafter entwickelten zunächst eine passive Probenahmemethode, die es erlaubt, die Affinität von krebserregenden Schadstoffen – nämlich von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) – für Kohlenstoffnanoröhren zu bestimmen. «Das Verfahren entwickelten wir unter Verwendung von analytischer Chemie und Elektronenmikroskopie gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Utrecht in den Niederlanden», erklärt Hofmann. Auf Basis dieser Methode untersuchten die Nanowissenschafter die Absorptions- und Adsorptionseigenschaften von mehreren Schadstoffen (PAK) für die Kohlenstoffnanoröhrchen. 9 / 2011

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Schadstoffe kämpfen um Plätze auf den Nanoröhren Ein weiterer Aspekt der untersucht wurde, ist das Phänomen der Konkurrenz unter Schadstoffen. In der Umwelt – insbesondere in kontaminierten Gewässern – liegt eine Vielzahl von unterschiedlichen Chemikalien vor. Bei einem Schadstoffgemisch konkurrieren die einzelnen Komponenten um die Adsorptionsplätze an den Kohlenstoffnanoröhren. Für die Verwendung der Nanoröhren als Filtermaterialien ist dieser «Konkurrenzkampf» jedoch von Nachteil, da die Wirksamkeit des Filters nach der Menge und der Art der Verunreinigung variieren würde. Durch das Erforschen der Konkurrenzverhältnisse unter Schadstoffen um Adsorptionsplätze könnten dann auch Fragen bezüglich des Sorptionsmechanismus beantwortet werden.

Unter Verwendung der klassischen Methoden mit relativ hohen Schadstoffkonzentrationen konnte nachgewiesen werden, dass die Konkurrenz unter drei PAK um die Adsorptionsplätze sehr stark ist. Im Gegensatz dazu zeigten die neuen Experimente mit dem passiven Probenahme-Verfahren bei Schadstoffkonzentrationen von 13 PAK, die in der Umwelt wahrscheinlich sind, dass keine Konkurrenz auftritt. Dieses Beispiel unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung und Verwendung von experimentellen Methoden, die Ergebnisse für umweltrelevante Fragestellungen liefern können. Allerdings sind noch einige offene Fragen zu beantworten, bevor Kohlenstoffnanoröhren zur Wasserreinigung eingesetzt werden können. Quelle: Universität Wien

Originalpublikation Melanie Kah, Xiaoran Zhang, Michiel T.O. Jonker, and Thilo Hofmann, «Measuring and Modeling Adsorption of PAHs to Carbon Nanotubes Over a Six Order of Magnitude Wide Concentration Range», Environmental Science & Technology 45 [14], 6011–6017 (2011).

Kontakt Univ.-Prof. Dr. habil. Thilo Hofmann Universität Wien Department für Umweltgeowissenschaften Althanstrasse 14 A-1090 Wien Telefon +43 (0)1 4277-533 20 thilo.hofmann@univie.ac.at

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

Veranstaltungen OKTOBER 2011 Messe: A+A 2011 Ort: D-Düsseldorf Veranstalter: Messe Düsseldorf GmbH Messeplatz, D-40474 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 45 60 01 www.messe-duesseldorf.de, info@messe-duesseldorf.de

18.–22.10.

Messe: Fakuma 2011 Ort: D-Friedrichshafen Veranstalter: P. E. Schall GmbH & Co. KG Messe Sinsheim GmbH Neulandstrasse 27, D-74889 Sinsheim Telefon +49 (0)7025 9206 0 info@schall-messen.de

20.10.

Seminar: Fast-LC und UHPLC – schneller, kleiner, effizienter Ort: D-Ulm Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 43843 www.novia.de, info@novia.de

20./21.10.

25./26.10.

25.–27.10.

Kurs: Rührtechnik in Theorie und Praxis Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema e. V. Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253 gruss@dechema.de, http://kwi.dechema.de Seminar: Feststoffmischer – Mischen und Granulieren in einem Apparat Ort: D-60439 Frankfurt Veranstalter: VDI Wissensforum GmbH Postfach 10 11 39, D-40002 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 6214 201 wissensforum@vdi.de, www.vdi-wissensforum.de Messe: parts2clean Ort: D-Stuttgart Veranstalter: fairXperts GmbH Hauptstrasse 7, D-72639 Neuffen Telefon +49 (0)7025 84 34 0 info@fairXperts.de, www.fairxperts.de

26.10.

Seminar: IC User Meeting 2011 Ort: CH-4800 Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.com

27.10.

Paperless Lab Forum 2011 Ort: CH-4058 Basel Veranstalter: Vialis AG Kesselweg 40, CH-4410 Liestal Telefon +41 (0)61 813 01 78 info@vialis.ch, www.vialis.ch

02./03.11.

Kurs: Chromatographie und Spektroskopie von Polymeren im Überblick Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

07./08.11.

Industrietage Wassertechnik Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema e.V. Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 274, elsen@dechema.de www.dechema.de/wassertechnik2011

07.–10.11.

Kurs: Massenspektrometrie-basierte Proteomics Ort: D-85354 Freising-Weihenstephan Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

08./09.11.

6. SVI Pharma-Verpackungsforum Ort: Basel Veranstalter: Schweizerisches Verpackungsinstitut SVI Brückfeldstrasse 18, CH-3000 Bern 9 Telefon +41 (0)31 302 30 03 info@svi-verpackung.ch, www.svi-verpackung.ch

09./10.11.

Kurs: Multidimensionale und Comprehensive Chromatographie (GC×GC, LC×LC, LC×GC) Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

10.11.

Kurs: Methodenentwicklung in der GC Ort: CH-8057 Zürich Veranstalter: Sekulab Postfach 28, CH-4448 Läufelfingen dany.christen@bluewin.ch, www.sekulab.ch

10.11.

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

15.11.

Kurs: Hochleistungs-Dünnschicht-Chromatographie-Massenspektrometrie (HPTLC-MS) Or t: D-70599 Stuttgar t Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfur t am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 w w w.gdch.de/for tbildung, fb@gdch.de

Bild: Pixelio, Rolf van Melis

18.–21.10.

NOVEMBER 2011

9 / 2011

Veranstaltungen NOVEMBER 2011 16./17.11.

Kurs: Einspritztechniken in der GC Ort: CH-8952 Schlieren Veranstalter: Sekulab, Postfach 28 CH-4448 Läufelfingen dany.christen@bluewin.ch, www.sekulab.ch

17./18.11.

Kurs: Selektive Oxidationsreaktionen Ort: D-Frankfurt Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

21./22.11.

Kurs: Online-Chromatographie Ort: D-Köln Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

22.11.

Kurs: Grossvolumige Einspritztechniken in der GC Ort: CH-8057 Zürich Veranstalter: Sekulab Postfach 28, CH-4448 Läufelfingen dany.christen@bluewin.ch, www.sekulab.ch

22.11.

23./24.11.

Kurs: Organokatalyse für die Asymmetrische Synthese Ort: D-Frankfurt am Main Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de Seminar: Grundlagen der Massenspektrometrie Ort: D-60329 Frankfurt am Main Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 43843 www.novia.de, info@novia.de

Ihr innovatives Team für: x Filtrationsanlagen x Desinfektionsanlagen x Aufbereitungsanlagen in der Wasser- und Prozesswassersowie Luftaufbereitung.

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Speziell für kleine Volumenströme gegen Drücke bis ca. 10 bar Magnetkupplung/Gleitringdichtung 24.11.

Seminar: IC Troubleshooting – Training Ort: CH-4800 Zofingen Veranstalter: Metrohm Schweiz AG Bleiche West, CH-4800 Zofingen Telefon +41 (0)62 745 28 28 info@metrohm.ch, www.metrohm.com

29.11.–01.12. Kurs: Prozess-Spektroskopie Ort: D-10247 Berlin Veranstalter: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Postfach 90 04 40, D-60444 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7917 291/364 www.gdch.de/fortbildung, fb@gdch.de

9 / 2011

Förderung kritischer Medien wie Säuren, Laugen, Ammoniak, WFI Wasser, Kältemittel- und Glykol-Lösungen, Aromastoffe, Konzentrate usw. SAWA Pumpentechnik AG CH-9113 Degersheim Tel ++41 (0) 71 372 08 08 Fax ++41 (0) 71 372 08 09 info@sawa.ch www.sawa.ch

Bild: NürnbergMesse

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

Powtech/TechnoPharm 2011

Countdown für die Branchenhighlights im Herbst Vom 11. bis 13. Oktober 2011 werden erneut über 1000 Aussteller aus aller Welt in Nürnberg erwartet, um in den sechs Hallen der Powtech und TechnoPharm Produkte und Dienstleistungen aus den Bereichen mechanische Verfahrenstechnik, Analytik und Life Science Technologien zu präsentieren. Ergänzt werden die Fachmessen von einem umfangreichen Rahmenprogramm: vom Explosionsschutz über «Hygienic Design» bis zum Cleanroom Village und nachhaltigen Verpackungslösungen.

Reinraumtechnik im Fokus des Messeduos Rein- und Reinsträume sind für viele Bereiche der Forschung und Medizin sowie für Labors und Produktionsverfahren unabdingbar. Rund 100 auf der TechnoPharm und Pow tech ausstellende Firmen beschäftigen sich mit dem Thema Reinraumtechnologie. Ein Grund, das Thema Cleanroom erstmals in den Mittelpunkt der Fachmesse zu stellen. Mit dem Cleanroom Village, unterstützt durch den TÜV SÜD Cleancert, und dem CleanRoomCongress, organisiert von der APV (Arbeitsgemeinschaft für Pharmazeutische Verfahrenstechnik) und Concept Heidelberg, bietet Nürnberg eine Plattform für die Planung, den Bau und den Betrieb reiner und reinster Räume in Fertigung, Forschung und Labor. 62

Bereits heute steht fest, dass sich über 40 Unternehmen im Cleanroom Village präsentieren. Dabei legen die Organisatoren besonderen Wert auf den Praxisbezug. So werden in Reinraumkabinen Filterscans durchgeführt und ein Begasungszyklus simuliert. Eine andere Anwendung zeigt mittels einer speziell gefertigten «Package Unit» einen Dosierprozess. Thematisch ergänzt wird die Sonderschau durch den CleanRoomCongress (Konferenzsprache ist Deutsch), im Zuge dessen anhand der Fallstudien von Sanofi-Aventis, Boehringer Ingelheim, Fresenius Kabi, Lonza, F. Hoffmann-La Roche, Haupt Pharma und Aukamm Pharma erläutert wird, wie die Anforderungen von Behörden und Prozessen in ein Reinraumkonzept umgesetzt werden können. Fachbeiträge, Posterpräsentationen und Demonstrationen ergänzen die

Fallstudien sinnvoll mit neuen technischen Lösungen aus dem Reinraumbereich. Der Kongress wendet sich an Fach- und Führungskräfte aus der Pharmaindustrie sowie Planer und Anbieter von ReinraumtechnikSystemen. Weitere Informationen unter www.cleanroom-congress.com.

Sonderschau «easy to clean» Die Forderung nach leicht zu reinigenden Anlagen und Anlagenkomponenten ist längst nicht mehr nur ein Thema der Lebensmittel- und Pharmaproduzenten. Mehr und mehr erkennen auch andere Branchen, wie zum Beispiel die Chemie, die Vorteile von Anlagenkomponenten im «Hygienic Design». Getrieben durch den Trend zu immer hochwertigeren Produkten geht es darum, Produktreste bei Chargenwechseln 9 / 2011

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

restlos zu entfernen, um eine Vermischung und damit QualitĂ¤tsverluste zu vermeiden. Im Zuge dessen besteht der Wunsch, ReinigungsvorgĂ¤nge effizienter zu gestalten, was wiederum den Einsatz leicht zu reinigender Anlagenkomponenten voraussetzt. Dazu kommt der Wunsch nach der Vermeidung von ÂŤHandarbeitÂť bei der Reinigung und der Automatisierung von ReinigungsvorgĂ¤ngen. Um diesen Bedarf an Anlagenkomponenten im ÂŤHygienic DesignÂť abzudecken, organisiert die NĂźrnbergMesse erstmals gemeinsam mit den Fachzeitschriften ÂŤPharma+FoodÂť und ÂŤChemie TechnikÂť zur Powtech/TechnoPharm 2011 die neue Sonderschau ÂŤeasy to cleanÂť. Dank der gebĂźndelten Darstellung verschiedener LĂśsungsansĂ¤tze und MĂśglichkeiten wird dem Interessenten bereits im Eingangsbereich Mitte eine Vorauswahl der Aussteller geboten, die das Thema fachkundig abdecken, so dass ein mĂśglichst effektiver Messebesuch gewĂ¤hrleistet ist.

Explosive Themen fachkundig aufbereitet Explosionsschutz ist ein zentrales Thema, das sich durch alle Branchen der SchĂźttgut sowie Pulver verarbeitenden Industrien zieht. Das Team rund um die deutsche Fachzeitschrift ÂŤVerfahrenstechnikÂť bringt deshalb die Besucher der Powtech und TechnoPharm mit Explosionsschutz-Experten zusammen: Mittels eigens zusammengestellten Touren zu ausgewĂ¤hlten Ausstellern, die ihr Know-how in Sachen Explosionsschutz weitergeben. In Halle 8 im Ausstellerfachforum diskutieren Experten zu relevanten Themen des Explosionsschutzes. Diese Podiumsdiskussion findet an jedem Messetag um 13.30 Uhr statt. Das genaue Programm sowie die Anmeldebedingungen sind rechtzeitig vor der Laufzeit unter www.verfahrenstechnik. de zu finden.

Eine Fortsetzung findet der Index Safety Congress (ISC) on Explosion Protection am 11. und 12. Oktober im Kongresszentrum CCN Ost. Das parallel zur Powtech laufende Event verbindet wissenschaftliche VortrĂ¤ge zu brandheissen Erkenntnissen aus der Forschung mit PrĂ¤sentationen zu Neuentwicklungen von Produkten und LĂśsungen. DarĂźber hinaus wird das Programm durch Live-VorfĂźhrungen und ExperimentalvortrĂ¤ge zusĂ¤tzlich aufgewertet. Die Vortragssprache ist Englisch. Gleichzeitig wird es eine SimultanĂźbersetzung sowie die parallele PrĂ¤sentationsanzeige in deutscher Sprache geben. Weitere Informationen zum Kongress unter www.ind-ex.info. Ausserdem finden tĂ¤glich um 13.00 Uhr und um 15.00 Uhr die spektakulĂ¤ren LiveExplosionen im Messepark mit kurzen ErlĂ¤uterungen statt.

Best-Practice-Beispiele der Aussteller Ein stets attraktiver Publikumsmagnet werden auch in diesem Jahr die beiden Ausstellerfachforen sein. So informieren mitten im Messegeschehen ausstellende Unternehmen mit fundiertem Fachwissen und aktuellen Praxistipps Ăźber neue Produkte und Dienstleistungen sowie LĂśsungsmĂśglichkeiten fĂźr den Arbeitsalltag. Noch kĂśnnen sich interessierte Firmen fĂźr die 20minĂźtigen Vortragsslots beim Projektteam melden.

packungÂť werden Materialien, Verfahren und Maschinen gezeigt, die dieses Thema reprĂ¤sentieren. Bei den gezeigten Exponaten wurde besonderen Wert auf die Nachhaltigkeit bei Erzeugung und Verwendung der Materialien gelegt, sowie die Energieeffizienz der Maschinen berĂźcksichtigt. Im direkten Umfeld der Sonderschau wird es erneut die sogenannte ÂŤPackaging and Labelling AisleÂť geben, die Aussteller aus den Bereichen Verpackungs- und Etikettiertechnologie thematisch bĂźndelt.

Powtech und TechnoPharm als App und auf mobilen Seiten Powtech und TechnoPharm machen 2011 erstmals mobil. Ob in Form einer iPhoneApp oder in Form von mobilen Seiten: Wer sich von unterwegs Ăźber das Messeduo informieren mĂśchte, kann dies ab Mitte Juli auf komfortable Art und Weise tun. Die App bietet zahlreiche Services: Von einer kompletten Ausstellerliste â&#x20AC;&#x201C; abrufbar nach Suchbegriffen, alphabetisch oder nach Platzierung â&#x20AC;&#x201C; Ăźber das Rahmenprogramm, die GelĂ¤nde- und HallenplĂ¤ne bis hin zu den Ă&#x2013;ffnungszeiten oder Eintrittspreisen. Der Zugang zur iPhone-App erfolgt Ăźber den App-Store oder auf der Veranstaltungshomepage. Zu den mobilen Seiten gelangt man Ăźber: m.powtech.de und m.technopharm.de Quelle: NĂźrnbergMesse

Sicherheit und Nachhaltigkeit in der Verpackung Sicherheit in der Verpackung ist sowohl bei fertigen Pharmaprodukten als auch bei Pulvern und SchĂźttgĂźtern, die hĂ¤ufig Vorprodukte fĂźr Pharma sowie Nahrungs- und Genussmittel sind, von ganz besonderer Bedeutung. Im Rahmen der Sonderschau ÂŤSicherheit und Nachhaltigkeit in der Ver-

Weitere Informationen â&#x20AC;˘ Alle Infos, HallenplĂ¤ne und Ausstellerlisten zum Fachmessenduo unter: www.powtech.de und www.technopharm.de â&#x20AC;˘ Alle Aussteller und ihre aktuellen Produktinformationen: â&#x20AC;˘ www.ask-Powtech.de bzw. www.ask-TechnoPharm.de

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9 / 2011

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

A+A 2011, Düsseldorf

Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit

Seit ihrer Premiere im Jahr 1954 schreibt die A+A, die internationalen Leitmesse für Persönlichen Schutz, betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit, eine Erfolgsstory. Präsentierten bei der ersten A+A in Düsseldorf noch 74 Aussteller den rund 2000 Besuchern ihre Produkte und Dienstleistungen (Netto-Ausstellungsfläche rund 1700 m²), so informierten sich anlässlich der A+A 2009 bereits 55 800 Besucher über das Angebot der 1541 Aussteller aus 62 Nationen. Die Zahl der internationalen Besucher erreichte mit 12 800 ebenfalls einen neuen Rekordwert. Unter Berücksichtigung des sehr guten Anmeldeverlaufs zeichnet sich zur A+A 2011 eine Beteiligung von mindestens 1500 Ausstellern aus vielen Ländern der Welt und von allen Kontinenten ab. Fast 90 Prozent der Aussteller der letzten A+A waren äusserst zufrieden mit ihrer Beteiligung – trotz des insgesamt im Jahr 2009 weltweit schwierigen wirtschaftlichen Umfelds.

Überblick über alle Aspekte der Arbeitssicherheit Im Zusammenspiel der Bandbreite ihres Ausstellerangebotes und des inhaltliches Spektrum des Kongresses sowie der Themenparks wird die A+A 2011 wieder einen kompletten Überblick über alle Aspekte der Arbeitssicherheit und der betrieblichen Gesundheitsförderung geben. Hauptangebotsbereiche der A+A Fachmesse sind: • Persönlicher Schutz (unter anderem Persönliche Schutzausrüstungen, Corporate Fashion, Sichere Geräte und Einrichtungen) • Gesundheit bei der Arbeit (zum Beispiel Arbeits-, Umwelt64

Bild: Messe Düsseldorf

Vom 18. bis 21. Oktober 2011 wird in Düsseldorf die A+A stattfinden, die internationale Leitmesse für Persönlichen Schutz, betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit. Der parallel stattfindende A+A Kongress ist das grösste Diskussionsforum Europas für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit. Keine andere Branchenveranstaltung bietet einen derart kompletten Überblick über neuesten Produkte und Services und setzt durch den Austausch unter Experten so viele fachlichen Impulse wie die weltweite Nr. 1, die A+A.

und Reisemedizin, Prävention, Arbeitsgestaltung/Ergonomie) • Betriebliche Sicherheit (unter anderem Brandschutz, betrieblicher Umweltschutz/Fokus Envitec, Mess- und Regeltechnik) • Katastrophenschutz (zum Beispiel Notfallmedizin, Technische Hilfsmittel, ABC-Schutz, Dekontamination). Der parallel stattfindende A+A Kongress ist das grösste Diskussionsforum Europas für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit. Keine andere Branchenveranstaltung bietet einen derart kompletten Überblick über neuesten Produkte und Services und setzt durch den Austausch unter Experten so viele fachlichen Impulse wie die weltweite Nr. 1, die A+A.

Umfangreiche Informationen im Internet Das umfangreich überarbeitete InternetPortal der A+A hält wichtige Informationen bereit und ermöglicht eine optimale Vorbereitung für Aussteller und Besucher: www.aplusa.de. Dort hinterlegen zum Beispiel auch die Aussteller rechtzeitig vor Messebeginn ihre Produktinformationen zu

Messeneuheiten. Schon jetzt sind, fortlaufend aktualisiert, viele Branchen-News und Hintergrundartikel zu verschiedenen Themen der Arbeitsschutz- und Sicherheitsszene abrufbar. Ausserdem können online «e-Tickets» geordert und direkt auch zuhause ausgedruckt werden; das neue Besucher-ManagementSystem der Messe Düsseldorf macht dies möglich. Mit der A+A-App ist jedermann darüber hinaus zu jeder Zeit stets up to date. Das Mini-Programm für iPhone, iPad & iPod Touch ermöglicht den einfachen mobilen Zugriff auf alle relevanten Informationen wie beispielsweise die Aussteller-Datenbank zur A+A 2011. Quelle: Statement von Joachim Schäfer, Geschäftsführer der Messe Düsseldorf GmbH, Düsseldorf (Ausschnitte, grösstenteils wörtlich übernommen) Kontakt Intermess Dörgeloh AG Obere Zäune 16 CH-8001 Zürich Telefon +41 (0)43 244 89 10 intermess@doergeloh.ch www.doergeloh.ch 9 / 2011

POLITIK UND WIRTSCHAFT

Mehr als nur ein Urlaubsland

Life Sciences im Tirol «Life Science in Tirol – moderne Krebsforschung zwischen Tradition und Technologie» war das Thema einer Pressereise, in deren Verlauf weit mehr Informationen über die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im österreichischen Bundesland vermittelt wurden, als aufgrund der Ankündigung zu erwarten war.

Kurt Hermann «Wenn man an Tirol denkt, dann ist zunächst einmal das Urlaubsland Tirol im Vordergrund», sagte Harald Gohm, CEO der Standortagentur Tirol, in der Einleitung seines Referats über Life Science im Tirol. Weit weniger bekannt sei, dass Tirol auch ein starker Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort ist – mit der Wasserkraft als natürliche Ressource. Unbestritten ist die Bedeutung des Tourismus für das österreichische Bundesland: 8 Millionen Gäste mit 43 Millionen Übernachtungen jährlich, 53 000 Beschäftigte, 1885 Skilifte mit einer Kapazität von 1,4 Millionen Personen pro Stunde oder 4400 km Skipisten sind nur einige der beeindruckenden Zahlen. Weltbekannt sind Orte wie Innsbruck, Kitzbühel, St. Anton oder Seefeld. Tatsächlich ist die Industrie der grösste Wirtschaftssektor (33 Prozent), zu dem rund 37 000 Unternehmen gehören. Doch auch der Forschungsbreich ist bedeutend: 3 Universitäten, 3 Fachhochschulen, rund 30 000 Studenten, 4300 Forscher, 300 forschende Unternehmen sowie 20 ausseruniversitäre Forschungszentren können sich durchaus sehen lassen. Die Stärkefelder der Wirtschaft sind Life Sciences, Mechatronik, alpine Technologien, erneuerbare Energien und Tourismus.

Life Sciences im Tirol heute Tirol ist nach Wien die zweitgrösste Life Sciences-Region in Österreich. Dazu gehören die Universität Innsbruck (Bio Sciences), die Medizinische Universität Innsbruck (9 medizinisch-theoretische und 12 klinische Departements), die Health and Life Science University in Hall (Medizinische Wissenschaften und Technik) sowie rund 50 Un9 / 2011

ternehmen mit alles in allem rund 3000 Beschäftigten, davon rund 2500 Forscher. Bekannte Forschungsinstitutionen sind Oncotyrol (Center for Personalized Cancer Medicine), das Tiroler Krebsforschungsinstitut, das Forschungsnetzwerk Austrian Center of Industrial Biotechnology, das Institute for Biomedical Aging Research sowie die Christian-Doppler Laborators.

Erfolgreiche Life-Science-Player Im Folgenden werden beispielhaft einige interessante Tiroler Life Science-Player kurz beschrieben. ■ Im Mittelpunkt der Forschung von Oncotyrol stehen die klinische Vorsorge, die Diagnose und die Entwicklung von personalisierten Krebstherapien, die für jeden Patienten massgeschneidert werden. Auf Basis der «genetischen Landkarte» des jeweiligen Patienten soll exakt dort angesetzt werden, wo auch die besten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Therapie liegen. ■ Med-el in Innsbruck kann auf 30 Jahre Forschung auf dem Gebiet implantierbarer Hörlösungen bauen. Als Universitäts-Spin-off gestartet, beschäftigt das Unternehmen mittlerweile mehr als 500 Mitarbeiter weltweit. ■ Innovacell Biotechnologie AG, Innsbruck, hat sich auf die Entwicklung und Produktion im Feld der Gewebezüchtung (Tissue Engineering) spezialisiert. Die 13 Mitarbeiter des im Jahr 2000 gegründeten Unternehmens erarbeiten neue Therapien für die Regeneration von geschädigtem Gewebe. ■ Die Experten von Ionimed Analytik, Innsbruck, suchen nach Krebsmarkern in der Atemluft, die es erlauben, bestimmte Krebsarten per «Blasen ins Röhrchen» zu diagnostizieren. ■ Die in Kundl ansässige Novatis-Tochter Sandoz GmbH ist der grösste österreichische Pharmahersteller und Exporteur sowie

einer der weltweit bedeutendsten Generikahersteller (siehe Reportage Seiten 32 und 33).

Der Cluster Life Sciences Tirol Eine wichtige Rolle spielen in Österreich die sogenannten Clusters. «Cluster sind Netzwerke von Unternehmen, Forschungseinrichtungen, Bildungsanbietern und Interessensvertretungen in wirtschaftlichen und technologischen Stärkefeldern. Die in diesen Innovations- und Kooperationsplattformen vereinigten Privaten und öffentlichen Partner nutzen gemeinsam Synergien, um mit gestärkter Innovationskraft Wettbewerbsfähigkeit und Wertschöpfung zu steigern.» So die Definition der Standortagentur Tirol. Zum Cluster Life Sciences Tirol gehören aktuell 40 Unternehmen, Institutionen und Hochschulen, die insgesamt mehr als 23 000 Mitarbeiter beschäftigen und im Jahr 2009 einen Umsatz von 4,7 Milliarden Euro erwirtschafteten. 13 Mitglieder haben Forschung und Bildung, 6 Biotechnologie und Pharma, 12 Medizintechnik als technologischen Schwerpunkt; 12 sind Dienstleister.

Die Standortagentur Tirol Aufgabe der Standortgentur Tirol ist es, so ihr CEO Gohm, «die Position des Wirtschaftsstandortes Tirol durch Gründung, Ansiedlung und Entwicklung von Unternehmen zur Sicherung bestehender und Schaf fung neuer Arbeitsplätze sowie die Vermarktung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandortes Tirol im Ausland zu stärken.» Der 1997 gegründete öffentlich-rechtliche Fonds verfügte im Jahr 2010 über ein Budget von rund 11 Millionen Euro. Bezogen auf Vollzeitäquivalente beschäftigte er 26 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.

PRODUKTE

Neue Dimension fürs Wägen in automatisierten Prozessen In-Prozess-Steuerungen und integriertes Wägen ist durch das neue ultrakompakte Wägemodul WMC von Mettler-Toledo nun auch in kompakten Systemen möglich, weil das Modul 25 mm breit ist. Sein Design und die moderne Technik ermöglichen ganz neue Möglichkeiten in der Qualitätskontrolle sowie bei Mikro-Dosiervorgängen von Flüssigkeiten und Pulvern. Störeinflüsse beispielsweise durch raue Industrieumgebungen haben durch modernste Signalverarbeitung keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Beim Wägemodul WMC handelt sich um das kleinste hochauflösende Format im Verhältnis zur Nennlast. Es unterstützt das Wägen an Stellen, wo es bisher undenkbar war eine Waage zu integrieren.

Revolutionierend sind die minimale Baugrösse und das technische Prinzip. Es wurde speziell für den Einsatz in automatisierten industriellen Prozessen entwickelt, in denen nur wenig Platz für Installationen zur Verfügung steht. So können auf kleinstem Raum hochpräzise Wägeergebnisse ermittelt und in kürzester Zeit direkt übermittelt werden. Die drei Modelle erlauben Messungen bei einer jeweiligen Höchstlast von 10 bzw. 20 Gramm bei einer Auflösung von zu bis zu 10 Mikrogramm. Im Online-Modus werden pro Sekunde 92 voll verwertbare Wägedaten gesendet, das heisst, alle 11 Millisekunden steht ein Wägewert zum Beispiel für Dosier- und Abfüllprozesse zur Verfügung. Die neue patentierte Direktkoppe-

verbundene minimale interne Masse, sorgt für eine maximale Dynamik bei der Störungskompensation durch Schwingungen und Stösse. Ein für derartige Hochpräzisionswaagen herausragendes Feature ist die Überlastfähigkeit. Trotz 20 g Nennlastbereich, kann das WMCWägemodul mit bis zu 2 kg ohne Schäden belastet werden. Überdies werden die in Maschinen zum Alltag zählenden Laststösse, beispielsweise bei Handlingvorgängen, ohne Schäden toleriert.

lungstechnik für Kraftkompensationswaagen macht die präzise Funktion auf kleinstem Raum möglich und ersetzt die übliche Übersetzung durch Hebelwerk. Die damit

Mettler-Toledo (Schweiz) GmbH Im Langacher CH-8606 Greifensee Telefon +41 (0)44 944 45 45 info.ch@mt.com, ch.mt.com/ch Powtech: Halle 9 / Stand 620

Schaufeltrockner mit breitem Anwendungsspektrum Mit dem Nara Boono Cooler/Dryer ist Nara eine designorientierte optimierte Weiterentwicklung des bewährten Schaufelwellensystems gelungen, die in Japan besonders im Bereich der Kühlung bereits erfolgreich eingesetzt wird. Der Nara-Schaufeltrockner ist ein indirekter Trockner, der neben den Grundverfahren Trocknen, Erhitzen und Kühlen auch für Kristallisation, Sterilisation, Beschichtung und Kalzinierung eingesetzt werden kann. Sein breites Anwendungsspektrum zeigt sich darin, dass er sowohl für die Lebensmittelindustrie, Pharmazie, für Spezialchemikalien als auch für Veredelung von Schlämmen gleichermassen geeignet ist. Rund 90 Prozent der weltweiten SAP-Produktion (Superabsorber, die zum Bei-

spiel in Windeln Einsatz finden) werden in derartigen Geräten getrocknet. Der hohe Wärmeübertragungskoeffizient kombiniert mit dem durch die gegenläufig rotierenden Schaufeln erzeugten Selbstreinigungseffekt führt zu einem homogen durchmischten Produkt bei kontinuierlichem oder chargenweisen Betrieb. Es hat es sich in der Praxis gezeigt, dass eine Kombination der verschiedenen Wellendesigns das Ergebnis noch optimieren kann: das bewährte Schaufelwellendesign des NPD für die Trocknung und ein nach geschaltetes, zweites Gerät mit den neuen Boonowellen für die anschliessende Kühlung. Diese geregelte Temperierung ist zum Beispiel in der Lebensmitteltechnologie von

Bedeutung, wenn das Produkt unmittelbar nach der Trocknung abgefüllt werden soll. Für die Ermittlung von Auslegungsdaten zur Massstabsvergrösserung steht in Frechen eine Anlage für Testversuche zur Verfügung. Die Auswertung der Endprodukte im eigenen Labor sowie ein zugehöriger Testbericht gehören zum NaraKundendienst. Nara Machinery Co., Ltd. Zweigniederlassung Europa Europaallee 46 D-50226 Frechen Telefon +49 (0)2234 2776 0 contact@nara-e.de www.nara-e.de Powtech: Halle 7 / Stand 359

Flash-Chromatografiesystem Das CombiFlash Rf von Teledyne Isco bietet eine vollautomatisierte Lösung zur schnellen und zuverlässigen Aufreinigung aller Art von Verbindungen. Racks und Kartuschen werden durch RFID-Technik fehlerfrei erkannt, Lösungsmittel- und Abfallbehälter direkt überwacht, während robuste Spritzenpumpen für einen stabilen Druck bis zu 13,7 bar sorgen. UV-/VIS-Detektion von 190

bis 780 nm auch mit «all wavelength detection» Funktion. Das Torrent, das für hohe Flussraten (bis 1l/min) und grosse Probemengen konzipiert wurde, rundet das Programm ab.

IG Instrumenten-Gesellschaft AG Räffelstrasse 32 CH-8045 Zürich Telefon +49 (0)44 456 33 33 igz@igz.ch www.igz.ch

Es gibt ein umfangreiches Programm an RediSep-Kartuschen (von 4 g bis 1.5 kg) und die patentierte Serie RediSep Gold (Partikel sphärisch zwischen 20 und 40 µm).

9 / 2011

PRODUKTE

Zyklon für Zentrifugalmühle Die Fritsch-Rotor-Schnellmühle Pulverisette 14 mahlt schnell und effektiv weiche bis mittelharte, spröde sowie faserige Proben. Auch die Zerkleinerung von schwer mahlbaren Proben, wie temperaturempfindliche Pulverlacke und Kunststoffe oder leicht feuchte Materialien wie Kräuter, Blätter, Tees sind kein Problem. Die effiziente Luftführung in der Pulverisette 14 und der starke Luftwirbel innerhalb des Zyklons kühlen die Probe während der Mahlung, verringern die Erwärmung des Mahlguts und damit ein Zusetzen/Verstopfen des Siebrings. Gleichzeitig erhöht dies den Durchsatz erheblich. Auch wird der Reinigungsaufwand in der Mühle selbst auf ein Minimum reduziert. Der Luftstrom innerhalb des Zyklons leitet die gemahlene Probe direkt in das aufgeschraubt Probenglas. Diese Art des Probenaustrags bietet den grössten Komfort, da das Mahlgut direkt in eine Glasflasche gesaugt wird, in der es transportiert, gelagert oder leicht für eine Analyse entnommen werden kann. Dabei wird der Feinststaub durch den HEPA-Feinststaubfilter im Zyklon zurückgehalten. Das Resultat: Erhöhte Mahlwirkung für eine besonders schnelle und effektive Mahlung, die die Wärmebelastung minimiert. Und die ideale Lösung für besonders wärmeempfindliche Materialien sowie zur problemlosen Vor- und Feinzerkleinerung von hart-spröden bis weichen, fetthaltigen oder restfeuchten Proben. Extrem schwer mahlbare oder extrem temperaturempfindliche Proben wie Polystyrole, Polyester, Kunstharze, Folien, PVC, PP und PE lassen sich durch Zugabe von flüssigem Stickstoff verspröden und anschlies-

Laborgerät zum Absaugen von Flüssigkeiten In Zusammenarbeit mit der Universität Zürich hat die KNF Neuberger AG für das Absaugen von flüssigen Chemikalien das Absauggerät PH 1669 entwickelt. Es besteht aus einer chemiefesten Membranvakuumpumpe, einer autoklavierbaren, bruchsicheren Auffangflasche aus Polypropylen mit 4 Litern Volumen und einem Vakuum-Controller.

send in der Pulverisette 14 mahlen. Weitere Vorteile der Rotor-Schnellmühle sind beispielsweise • einfacher und schneller Wechsel aller Mahlteile ohne Werkzeug • einfache, kontaminationsfreie Reinigung und Zusammenbau aller Mahlteile ausserhalb des Geräts • variable Drehzahleinstellung zwischen 6000 und 20 000 U/min • maximale Aufgabegrösse 10 mm, Durchsatzmenge 0,05 bis 5 l/h, mininmale Probenmengen: 5 bis 10 ml • Endfeinheit d50 < 40 µm, Siebeinsätze 0,08 bis 6 mm • automatische Drehzahl-Nachregelung für konstante Mahlung • Mahlteile aus rostfreiem Stahl, Reintitan, TiN-beschichtet und WC-beschichtet • Schnellspannverschluss. Tracomme AG Webereistrasse 47 CH-8134 Adliswil Telefon +41 (0)44 709 07 07 tracomme@tracomme.ch www.tracomme.ch Powtech: Halle 6 / Stand 6-305 (Fritsch GmbH)

Das Laborabsauggerät ist mit drehbaren Rollen ausgerüstet und lässt sich leicht unter den Labortisch schieben. Das Gerät misst in der Breite nur rund 23 Zentimeter und kann wahlweise links oder rechts vom Nutzer angeordnet werden. Die chemiefeste, durch einen hydrophoben Sterilfilter geschützte Membranpumpe erzeugt das Vakuum in der Auffangflasche. An zwei separat geführten Absaugleitungen lassen sich über Schnellkupplungen zwei Absaugvorrichtungen anschliessen. Es können also zwei Absaugprozesse parallel durchgeführt werden. Das gewünschte Vakuum – und damit die Saugstärke – lässt sich am Vakuum-Controller einstellen. Die leise arbeitende Pumpe läuft nur dann, wenn der aktuelle Istdruck in der Auffangflasche über dem eingestellten Unterdruck (Vakuum) liegt. Auf diese Weise ergeben sich ein sehr niedriger Geräuschpegel, ein geringer Energieverbrauch und eine hohe Lebensdauer der Pumpe. Ist die Auffangflasche zu etwa 80 Prozent gefüllt, schaltet sich die Pumpe aus Sicherheitsgründen au-

tomatisch aus und die Flasche wird belüftet. Gleichzeitig leuchtet eine Warnlampe im Bedienfeld des Absauggeräts auf. In diesem Fall kann durch Drücken einer Taste im Bedienfeld erneut ein Vakuum erzeugt werden, um beispielsweise noch Leitungen zu spülen. Sobald der Nutzer die Taste wieder loslässt, wird die Flasche wieder belüftet. Das Absauggerät für Flüssigkeiten hat sich in der Praxis bereits bewährt. Interessenten können die Neuheit selbst auf die Probe stellen, indem sie ein kostenloses Testgerät anfordern. KNF Neuberger AG Stockenstrasse 6 CH-8362 Balterswil Telefon +41 (0)71 971 14 85 knf@knf.ch, www.knf.ch

Hochleistungs-Femtosekunden-Laser mit Synchotron gekoppelt

Der Hochleistungs-Faser-Laser Modell Impulse von Clark-MXR ist ein System mit aussergewöhnlichen Parametern: eine mittlere Leistung von bis zu 20 Watt bei einer Pulslänge von 200 fs, dazu eine Repe-

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titionsrate, die variabel zwischen 100 kHz und 25 MHz eingestellt werden kann. Mit diesem System sind eine Reihe von Anwendungen neu angegangen worden, von der Ultrakurzpuls-Materialbearbeitung über das Pumpen von OPA-Systemen für die Spektroskopie bis hin zur Erzeugung von THz-Strahlen. Nun ist am Bessy (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung) ein neuer Wurf gelungen: die Kopplung und

Synchronisierung der dort aufgebauten Synchrotron-Röntgenquelle mit dem optischen Laser-Puls des Impulse. Dabei ist die Elektronik des Impulse in der Lage, den optischen Puls zum Synchrotron-Puls mit konstanter Phase bei einer Repetitionsrate von über einem MHz stabil zu locken. Darüber hinaus können die beiden Pulse auch durch variable Phasenanpassung zeitlich kontrolliert und damit zueinander nahezu beliebig verschoben werden. Der zeitliche Jitter zwischen Laser-und

Synchrotron-Strahl liegt dabei unter einer Pikosekunde. Dieses Arrangement eröffnet ganz neue Möglichkeiten für Benutzer, zum Beispiel durch die Kombination von extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Horiba Jobin Yvon GmbH Neuhofstrasse 9 D-64625 Bensheim Telefon +49 (0) 6251 8475 0 info-sci.de@horiba.com www.horiba.com

PRODUKTE

Sensorgesteuerte Ionenbalance Wenn elektrostatische Aufladungen Produktionsprozesse stören, dann bietet die Ionizer Serie IZS die optimale Lösung: Die elektrostatische Entladung von Produkten und Werkstücken erfolgt in nur 0,3 Sekunden, optimiert die Prozesssteuerung und sichert höchste Qualität. Zusätzlich erkennen die Ionizer selbstständig Schmutz an einer Elektrodennadel und geben ein Instandhaltungssignal aus, wodurch der Arbeitsaufwand reduziert werden kann.

Der Abbau statischer Elektrizität lässt sich beschleunigen, indem das elektrostatische Potential des Werkstücks mit einem Rückkopplungssensor erfasst wird und anschliessend Ionen der umgekehrten Polarität emittiert werden. Das Ionengleichgewicht wird über den Abgleichsensor eingestellt, der sich in der Nähe des Substrats befindet. Deshalb wird die Ionenbalance nicht durch die Installationshöhe des Ionisierers oder durch Interferenzen be-

einflusst. Die Ionizer sind in diversen Längen und Anzahl Elektroden erhältlich und decken somit jegliche Anwendung und Einbauart ab.

Wägezellen werden getrennt erfasst und digitalisiert. Man kann jederzeit auf die Messspannung der individuellen Zellen zugreifen. Und das schafft erhebliche Vorteile. Zum einen kann man bei Inbetriebnahme die Totlastverteilung ganz exakt bestimmen. Zum anderen ist ein komfortabler elektronischer Eckenabgleich möglich.

Die Disobox Plus ist nicht nur ein Multitalent, sie ist auch für nahezu jede Wägeaufgabe oder Prozessanwendung einsetzbar, wo es auf digitale, störsichere Signalübertragungen ankommt. Bevorzugt in Systemen mit sensibler Lastverteilung wie zum Beispiel Radlastwaagen, Prüfsystemen oder Waagen zur Schwerpunktbestimmung. Typische Einsatzorte sind auch Strassenfahrzeugwaagen, Kranwaagen Gleisfahrzeugwaagen und Behälterwaagen.

cb-Technik GmbH Schachenstrasse 82 CH-8645 Jona Telefon +41 (0)55 224 30 20 info@cb-technik.ch www.cb-technik.ch

Aus analog mach digital Das Hauptmerkmal der Disobox Plus ist die einfache Lösung einer komplexen Anforderung. Sie macht auf kostengünstige Weise aus jeder

herkömmlichen analogen Waage eine digitale Waage mit ausgezeichneten Eigenschaften. Kombiniert mit Auswertegeräten der Disomat-Familie oder der PC-Software Disoview E schafft sie eichfähige mechatronische Wägesysteme, die nahezu unbegrenzt einsatzfähig sind. Sie verwandelt Waagen von gestern in hochpräzise, multitalentierte Wägesysteme von heute. Das wichtigste Merkmal der neuen Elektronikeinheit: Ausgangssignale von bis zu acht

Mithilfe modernster Kommunikationsmodule wird im laufenden Betrieb jede einzelne Wägezelle individuell überwacht und die Lastverteilung auf der Waage genau analysiert. Bei Abweichungen kann man sofort eingreifen. Fehlerhafte Komponenten lassen sich unmittelbar identifizieren und können ausgetauscht werden. Das spart kostbare Produktionszeit und Material.

Schenck Process GmbH Pallaswiesenstrasse 100 D-64293 Darmstadt Telefon +49 (0)61 51 15 31 0 info@schenckprocess.com www.schenckprocess.com

Sichere Fasslagerung in Arbeitsräumen Die vorschriftsmässige Lagerung von Fässern mit brennbaren Flüssigkeiten in Arbeitsräumen darf nur in feuerbeständigen Schränken erfolgen. Fassschränke von Denios erfüllen diese Anforderung. Sie überzeugen durch ihre feuerbeständige Konstruktion, die sie zur Innenaufstellung tauglich macht. Ein aufwendiger innerbetrieblicher Transport der Fässer vom Lager zum Einsatzort kann entfallen. VbF-Fassschränke erfüllen alle Kriterien, um entzündbare Flüssigkeiten sowie giftige, sehr giftige und brandfördernde Stoffe in Arbeitsräumen zu lagern. Die Schränke gewährleisten eine Feuerwiderstandsfähigkeit von 90 Minuten.

Die Brandprüfung erfolgte gemäss den Anforderungen der DIN EN 14470-1 (Typ 90) durch eine anerkannte Materialprüfanstalt. Im Brandfall schliessen die Türen selbsttätig. Aufschäumendes Dichtungsmaterial versiegelt Tür und Rahmen. Die einschiebbare Stahlauffangwanne mit wahlweise 80 oder 220 Liter Auffangvolumen schützt vor auslaufenden Flüssigkeiten. Weitere innovative Leistungsmerkmale tragen zur maximalen Sicherheit bei: hochwertige Gleitschienenschliesser mit integrierter Türfeststellanlage bewegen mühelos die Türen. Im Schrankinnenraum stört kein Türschliesserarm. Im

Dachbereich sind Zu- und Abluftstutzen (NW 75) vorhanden. So lassen sich VbF-Fassschränke an vorhandene Belüftungssysteme anschliessen. Eine interne Erdungsschiene mit Erdungsstift im Aussenbereich sorgt für den notwendigen Potenzialausgleich. VbF-Fassschränke von sind in zwei Grössen für die Lagerung von Kleingebinden und für bis zu zwei Fässer à 200 Liter lieferbar. Denios AG Mythenstrasse 4 CH-5430 Wettingen Telefon +41 (0)56 417 60 60 info@denios.ch www.denios.ch

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PRODUKTE

Umweltfreundliches GC-MS-System Das Quadrupol GCMS-QP2010 Ultra bietet eine äusserst schnelle Datenerfassung bei einer fünf Mal höheren Empfindlichkeit, verglichen mit den Vorgängermodellen. Neben der verbesserten Produktivität bei Hochgeschwindigkeitsanalysen eignet sich das GCMS-QP2010 Ultra auch für die Comprehensive Chromatographie (GC×GC), die eine ultrahohe Trennung erzielt. Der Quadrupol ist das erste umweltfreundliche GC/MS-System; es reduziert den Energie- und Trägergasverbrauch. Die ChromSquare-Software für die Comprehensive Chromatographie ermöglicht an jedem Punkt des Analyseprozesses detaillierte Einblicke. Teil des GCMS-QP2010 Ultra ist der

neue GC-2010 Plus, der hinsichtlich Geschwindigkeit, Effizienz, Genauigkeit, Empfindlichkeit und leichter Bedienbarkeit neue Massstäbe setzt. Ausgestattet mit AFT (Advanced Flow Technology), vereinigt der GC2010 Plus höchste Trenneffizienz mit gesteigerter Produktivität und kürzerer Analysendauer. Die wichtigsten Merkmale des GCMS-QP2010 Ultra sind: ■ Die patentierte Technologie Advanced Scanning Speed Protocol (ASSP) ist eine massenspektrometrische Methode, die die Empfindlichkeit bei hohen Scan-Geschwindigkeiten um mehr als das Fünffache steigert.

■ Die Kombination einer Hochgeschwindigkeits-GC-Technik mit dem schnellen Doppeljet-Kühlsystem im GC-2010 Plus verkürzt den Analysedurchlauf erheblich. ■ Im MS des GCMS-QP2010 Ultra lassen sich gleichzeitig zwei Kapillarsäulen mit kleinem Durchmesser einsetzen. Nutzer können so den Anwendungsbereich wechseln, ohne die Säuleninstallation zu verändern. Das GCMS-QP2010 Ultra ermöglicht also zwei Analysen in einem Gerät ohne Säulenwechsel durchzuführen. ■ Durch die umweltfreundlichen Eigenschaften des GCMS-QP2010 Ultra reduziert sich der Energiever-

brauch im Standby-Modus um 36 Prozent. Der Ecology-Modus kann den Stromverbrauch während eines Jahres um 26 Prozent vermindern. Zudem werden die jährlichen CO2Emissionen um 30 Prozent gesenkt, und der Heliumverbrauch wird um mehr als 300 Kartuschen pro Jahr verringert.

Shimadzu Schweiz GmbH Römerstrasse 3 CH-4153 Reinach BL Telefon +41 (0)61 717 93 33 info@shimadzu.ch www.shimadzu.ch

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Ausstellung

zu neuesten Entwicklungen in der Chromatographie

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